[发明专利]一种模拟滚刀作用下岩石裂纹演化的数值模拟方法

说明书

本发明公开了一种模拟滚刀作用下岩石裂纹演化的数值模拟方法，包括：建立滚刀与岩石三维模型；确定滚刀与岩石三维模型的模拟参数，包括：岩石材料属性参数、滚刀材料属性参数、材料的损伤模型、滚刀模型与岩石模型的接触模型、滚刀模型与岩石模型的边界条件、求解方式和输出的计算参数；利用开源程序Peridigm对模型进行计算；将计算结果导入Paraview中进行可视化处理。本发明为模拟滚刀作用下岩石损伤演化提供了一种新思路，可以很好的模拟裂纹在岩石中的演化；同时该方法能够实现并行计算，具有多尺度的分析能力，在计算工程尺度的大型模型方面具有很好的应用前景。

技术领域

本发明涉及岩土工程技术领域，具体地涉及一种模拟滚刀作用下岩石裂纹演化的数值模拟方法。

背景技术

目前在隧道的修建过程中，TBM掘进施工已经被广泛的应用在隧道施工中。TBM掘进施工主要依靠其最前端的滚刀对掌子面岩石进行切割与破碎，周而复始，使得隧道贯通。对于TBM施工技术而言，需要重点关注掌子面岩石在刀具作用下的破坏程度，研究滚刀破岩的机理，为TBM刀盘的设计提供参考。目前关于滚刀破岩的研究方法主要包括室内试验和数值模拟两种。室内试验研究主要包括滚刀贯入试验，线性切割试验与回转切割试验三种，但是这些试验不仅对设备有较高的要求，增加了试验成本，而且岩石内部的损伤情况很难实际观察到。随着计算机技术的不断发展，数值模拟凭借其成本低，可重复性好等优势成为众多学者选择的研究手段。

目前关于研究滚刀破岩的数值方法主要包括有限元法与离散元法。其中有限元法在模拟断裂问题时需要额外引入裂纹的扩展准则，对最终的结果有一定的干扰；离散元法虽然没有连续性的要求，但是确定离散颗粒的大小没有严格的依据。综上可以看出，目前应用于滚刀破岩领域的数值方法有各自的局限性。

发明内容

本发明的目的就是要针对现有数值方法的局限性，提出一种模拟滚刀作用下岩石裂纹演化的数值模拟方法，为滚刀破岩的数值研究提供新的思路。

本发明的技术方案为：

利用近场动力学理论模拟滚刀作用下岩石裂纹演化的数值模拟方法，一种模拟滚刀作用下岩石裂纹演化的数值模拟方法，包括以下步骤：

步骤1，建立滚刀与岩石三维模型；

步骤2，确定滚刀与岩石三维模型的模拟参数，包括：岩石材料属性参数、滚刀材料属性参数、材料的损伤模型、滚刀模型与岩石模型的接触模型、滚刀模型与岩石模型的边界条件、求解方式和输出的计算参数；

步骤3，结合模拟参数，利用开源程序Peridigm对滚刀与岩石三维模型进行计算，并将计算结果可视化获得滚刀作用下岩石裂纹演化的数值模拟结果。

进一步地，所述步骤2中，岩石材料属性数据包括岩石的材料模型，岩石材料的密度，杨氏模量与剪切模量；滚刀材料属性数据包括滚刀的材料模型，滚刀材料的密度，杨氏模量与剪切模量。

进一步地，所述步骤2中，材料的损伤模型为岩石材料的损伤模型，为临界伸长率模型、时间相关临界伸长率模型、界面感知模型中的一种；

进一步地，所述步骤2中，滚刀模型与岩石模型的接触模型为短程接触力模型、时间相关短程接触力模型中的一种；

进一步地，所述步骤2中，滚刀模型与岩石模型的边界条件包括：滚刀在x、y和z方向的速度边界，岩石模型前、后、左、右四个面的位移边界。

进一步地，所述步骤2中，所述求解方式包括模拟的开始时间，结束时间与积分方法。

进一步地，所述步骤2中，输出的计算参数包括滚刀与岩石各自的位移，滚刀与岩石各自的速度，滚刀与岩石之间的接触力，岩石的损伤等。

进一步地，所述步骤3中，利用开源程序Peridigm对滚刀与岩石三维模型分区并行进行计算，输出的计算参数还包括处理器编号。