本文關(guān)鍵詞：巖石破裂過程的擴展有限元法研究，，由筆耕文化傳播整理發(fā)布。

《中國礦業(yè)大學(xué)》 2015年

巖石破裂過程的擴展有限元法研究

師訪  

【摘要】：大量的工程實踐表明,頁巖氣、石油、煤層氣等能源的開采產(chǎn)量與巖石內(nèi)部裂隙的擴展和貫通密切相關(guān),巖石內(nèi)部裂隙網(wǎng)絡(luò)為油氣的流動提供通道,裂隙網(wǎng)絡(luò)發(fā)育程度越高,越利于油氣資源的開采。另一方面,某些巖體工程的失穩(wěn)破壞也與裂紋的萌生、擴展等過程息息相關(guān)。因此,研究巖石裂隙起裂、擴展、分叉、交匯貫通等規(guī)律,對油氣工程和巖體工程的設(shè)計、施工具有重要意義。1999年Belytschko教授提出了擴展有限元方法,這一方法在傳統(tǒng)有限元方法的基礎(chǔ)上進行了重要改進,克服了有限元法模擬裂紋擴展時有限元網(wǎng)格必須與裂紋面重合、且裂尖必須劃分的很密的缺點。作者用該方法對巖石破裂問題進行了系統(tǒng)深入的研究,比如裂紋擴展準則,壓剪裂紋問題,正交各向異性巖石,不同巖性巖石交界面裂紋,巖石裂紋的萌生、擴展、交匯問題,巖石動態(tài)破裂,流固耦合等問題。為了更加有效的模擬復(fù)雜的巖石破裂過程,本文對擴展有限元方法進行了多項改進,提出了一些新的準則、算法和模型,主要的創(chuàng)新性工作如下:(1)提出了加權(quán)平均最大主拉應(yīng)力準則,其中權(quán)函數(shù)形狀控制參數(shù)取為1,將其應(yīng)用于擴展有限元模擬,并與其他巖石裂紋擴展準則進行了對比。結(jié)果表明,采用最大周向拉應(yīng)力準則、最大能量釋放率準則和最小應(yīng)變能密度準則在應(yīng)力強度因子比值|KII/KI|較大時所得裂紋擴展路徑呈鋸齒狀波動,而采用本文提出的裂紋擴展準則所得裂紋擴展路徑光滑無鋸齒,更加接近實際。(2)基于壓剪裂紋的裂紋面位移特征,提出了壓剪裂紋計算方法。將增強節(jié)點x、y方向位移通過裂紋面傾角聯(lián)系起來,通過剪切試驗獲得裂紋面剪切剛度ktt,經(jīng)過坐標轉(zhuǎn)換將裂紋面剛度矩陣轉(zhuǎn)換到整體坐標系下,再集成到整體剛度矩陣中即可求得壓剪裂紋面剪切滑動位移,采用該計算方法可避免傳統(tǒng)的壓剪裂紋面接觸算法的迭代計算,減少了計算量。(3)建立了正交各向異性巖石中壓剪型和張拉型裂紋的萌生準則。假設(shè)巖石強度參數(shù)隨著破裂面與層理面夾角的變化規(guī)律服從三角函數(shù)分布,在此基礎(chǔ)上定義了剪切破壞因子Fs和拉伸破壞因子Ft:對于剪切型初始裂紋,潛在破裂面對應(yīng)的破裂角應(yīng)使得Fs取得最大值,且要滿足Fs?1;對于拉伸型初始裂紋,潛在破裂面對應(yīng)的破裂角應(yīng)使得Ft取得最小值,且要滿足Ft??1。(4)提出了新型動態(tài)破裂裂尖節(jié)點增強方案。該方案對全部增強節(jié)點進行Heaviside增強,并利用與裂紋局部截斷長度ls和裂尖局部直角坐標系下坐標tipx?相關(guān)的非線性光滑函數(shù)(tip1 cos(/)2s?x l??????)對裂尖增強節(jié)點的Heaviside函數(shù)的貢獻進行弱化處理,使得Heaviside增強在裂尖處的貢獻為0。該方案每個增強節(jié)點只需兩個增強自由度,而且在計算形函數(shù)導(dǎo)數(shù)矩陣B時省去了復(fù)雜的求導(dǎo)過程,大大減小了計算量。(5)通過對比分析水力壓裂和巖石爆破兩類流固耦合問題的力學(xué)機理,分別提出了基于擴展有限元的水力壓裂和巖石爆破問題數(shù)值計算模型:針對水力壓裂問題,對裂縫內(nèi)壓裂液流動的Reynolds方程進行Galerkin有限元離散,并用Picard固定點迭代來求解流固耦合方程;而對于爆炸問題,則對裂縫內(nèi)高壓氣體湍流流動方程進行時間域和空間域的有限差分離散,并用JWL狀態(tài)方程來描述爆生氣體氣壓的變化。算例分析證實了計算模型的可靠性。(6)基于擴展有限元理論和本文計算模型,開發(fā)了一套功能完整、操作簡便、支持并行計算的二維巖石破裂過程模擬程序,該程序可用于模擬巖石室內(nèi)試驗、巖體開挖、水力壓裂、巖石爆破等過程。

【關(guān)鍵詞】：
【學(xué)位授予單位】：中國礦業(yè)大學(xué)
【學(xué)位級別】：博士
【學(xué)位授予年份】：2015
【分類號】：O346.1
【目錄】：

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本文編號：200930