由于巖石材料自身性能及其所處環(huán)境的復雜性,對其力學行為的研究一直是現(xiàn)代計算固體力學中一個極具挑戰(zhàn)性的領(lǐng)域。細觀尺度上的無序結(jié)構(gòu)與缺陷造成了巖石材料復雜的宏觀力學特性,而通過顆粒結(jié)構(gòu)和細觀本構(gòu)模型對材料力學行為進行表征的顆粒離散元膠結(jié)模型,提供了連接巖石細觀結(jié)構(gòu)與宏觀特性的橋梁,成為研究巖石物理力學性質(zhì)的有力工具。利用顆粒離散元法進行建模分析時,各項參數(shù)的標定是使用者首先要面對的問題,也是取得合理模擬結(jié)果的關(guān)鍵。然而,由于顆粒系統(tǒng)的復雜性以及顆粒離散元法軟球模型的假設(shè),模型宏-細觀參數(shù)間的關(guān)系難以從理論角度進行推導,參數(shù)標定一直是一項繁瑣且棘手的工作。因此,本文借助統(tǒng)計檢驗、試驗設(shè)計和最優(yōu)化模型等手段,針對顆粒離散元巖石模型的參數(shù)特性展開了研究。本文所做的主要研究工作及其結(jié)論,包括以下幾個方面:(1)基于單因素多水平定量資料的統(tǒng)計分析方案,對顆粒離散元巖石模型的顆粒尺寸效應(yīng)進行了研究,得到了顆粒尺寸對模型宏觀力學參數(shù)和破壞模式的影響規(guī)律。綜合各項力學參數(shù)的統(tǒng)計學檢驗結(jié)果、模型破壞模式及計算效率等三方面考慮,認為對于類似的巖石材料模擬,按照L/R≥200來確定顆粒半徑是合適的。(2)基于正交試驗設(shè)計和中心復合試驗設(shè)計,對特定區(qū)間上顆粒離散元巖石模型宏-細觀參數(shù)間的定性和定量關(guān)系進行了研究,得到了各細觀參數(shù)對各宏觀參數(shù)的影響規(guī)律,擬合出了能夠描述宏-細觀參數(shù)間關(guān)系的定量關(guān)系式,不僅為細觀參數(shù)的標定提供了依據(jù)和指導,還為細觀參數(shù)標定最優(yōu)化模型的建立提供了基礎(chǔ)。(3)以前面得到的定性和定量關(guān)系為基礎(chǔ),將細觀參數(shù)標定問題轉(zhuǎn)化為最優(yōu)化問題并構(gòu)造出相應(yīng)的最優(yōu)化模型;選擇對初值沒有依賴性的全局搜索算法——遺傳算法作為優(yōu)化算法對上述最優(yōu)化模型進行解算;添加相關(guān)約束條件來控制模型最終的破壞模式;最后,在Matlab環(huán)境下編寫了細觀參數(shù)標定程序。對該程序的驗證結(jié)果表明,該細觀參數(shù)標定程序取得了較好的參數(shù)標定效果。(4)以某引水隧洞工程為基礎(chǔ)構(gòu)建耦合計算模型,對前述結(jié)論進行驗證�；趲r石模型的顆粒尺寸效應(yīng)研究結(jié)果,確定了洞室模型的顆粒尺寸;基于前述細觀參數(shù)標定程序,給出了不同約束條件下的多組細觀參數(shù)選取方案,并研究了其對洞室模型變形破壞過程和最終破壞模式的影響,得到了細觀參數(shù)變異性對洞室模型破壞機理的影響規(guī)律。綜上所述,本文針對顆粒離散元巖石模型的參數(shù)特性展開了研究,給出了巖石模型宏-細觀參數(shù)間的關(guān)系與規(guī)律,建立了巖石模型的細觀參數(shù)標定方法,不僅能使顆粒離散元模型對巖石類材料的模擬與分析更加真實可靠,還能大大降低研究者建模初期的工作量,提高科研效率。
【學位單位】：河北工程大學
【學位級別】：碩士
【學位年份】：2018
【中圖分類】：TU45
【部分圖文】：

圖 1-1 與 DEM 相關(guān)的多尺度耦合方法Fig.1-1 Multiscale coupling method related to DEM粒離散元法在巖石損傷破壞模擬中能夠有效捕捉巖石材料細觀非連象且允許材料產(chǎn)生大變形和大位移，這是其比傳統(tǒng)連續(xù)介質(zhì)分析法然而在實際運用中，顆粒離散元巖石模型目前還有兩個短板：一是

的角度揭示顆粒尺寸對巖石模型宏觀力學性質(zhì)和破壞模式的影響規(guī)律，最終石模型顆粒尺寸的選取提供依據(jù)和建議。.1 顆粒尺寸效應(yīng)的研究方案.1.1 巖石模型的建立.1.1.1 細觀本構(gòu)的選取許多學者的研究結(jié)果表明[3,8,19-21]，基于平行粘結(jié)模型構(gòu)建的顆粒離散元膠型，可以復現(xiàn)出巖石材料的多種力學響應(yīng)和特性，例如：巖石材料特有的應(yīng)應(yīng)變曲線，裂紋的萌生和擴展，體積膨脹，峰后軟化現(xiàn)象及聲發(fā)射現(xiàn)象等等此本文選取平行粘結(jié)模型作為模型的細觀粘結(jié)模型。與傳統(tǒng)的點粘結(jié)模型不同的是，平行粘結(jié)模型在 2D/3D 模型中是線/面粘結(jié)點粘結(jié)，故而比前者多了抵抗力矩的能力，可以更好的體現(xiàn)巖石顆粒間的相合（圖 2-1）。

圖 2-6 宏觀參數(shù)的均值、標準差和變異系數(shù)Fig.2-6 The mean, standard deviation and coefficient of variation of macro parameters各項力學參數(shù)的均值、標準差與變異系數(shù)（Coefficient of variation, CV）的變化趨勢如圖 2-6 所示，各樣本標準差以誤差棒的形式給出。由圖 2-6 可知，各力學參數(shù)樣本的均值隨 R 變化的幅度很小，而標準差則呈現(xiàn)明顯的增加趨勢，這定性地說明了顆粒尺寸的大小對模型力學參數(shù)的均值影響較小，主要影響的是力學參數(shù)樣本的離散性。從各項力學參數(shù)的 CV 值可看出，相同粒徑水平條件下的彈性模量與泊松比樣本的離散程度要明顯小于其他兩項力學參數(shù)，即這兩項參數(shù)的數(shù)據(jù)穩(wěn)定性更好。筆者認為這是由于彈性模量與泊松比對應(yīng)于應(yīng)力-應(yīng)變曲線的彈性階段，此時模型的細觀結(jié)構(gòu)未出現(xiàn)明顯損傷，即模型結(jié)構(gòu)與強度分布未發(fā)生顯著變動，因此相對于峰值區(qū)域的力學參數(shù)，其穩(wěn)定性更好。表 2-4 各項力學參數(shù) CV 的增長拐點Table.2-4 The inflection point of the CV curve of the macroscopic parameter宏觀參數(shù)A 組模型 B 組模型

【參考文獻】

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本文編號：2821361