離散虛內(nèi)鍵模型及其在巖石動(dòng)態(tài)斷裂模擬中的應(yīng)用.pdf

1、離散虛內(nèi)鍵模型（DVIB）是一種新型格構(gòu)模型（Lattice model）。與一般格構(gòu)模型的區(qū)別在于DVIB是由虛內(nèi)鍵元胞（Unit bond cell）組成。每個(gè)元胞由有限個(gè)虛內(nèi)鍵和顆粒組成，而且每個(gè)元胞可以具有任意幾何形狀。元胞的“結(jié)點(diǎn)”力-位移關(guān)系直接由虛內(nèi)鍵超彈勢(shì)函數(shù)導(dǎo)出，無(wú)需經(jīng)過所謂的應(yīng)力-應(yīng)變本構(gòu)關(guān)系，這使得DVIB可以直接模擬大位移、大變形動(dòng)力斷裂問題而無(wú)需外部斷裂準(zhǔn)則。本文還將巖石材料非均質(zhì)性引入DVIB中，對(duì)不同加載速

2、率條件下的巖石動(dòng)態(tài)裂紋擴(kuò)展進(jìn)行數(shù)值模擬。模擬結(jié)果表明：隨著加載速率的增大，動(dòng)態(tài)裂紋模式逐漸發(fā)生偏轉(zhuǎn)，同時(shí)出現(xiàn)分叉現(xiàn)象。這與相應(yīng)試驗(yàn)結(jié)果相一致。巖石非均質(zhì)性對(duì)動(dòng)態(tài)裂紋擴(kuò)展路徑有很大影響。當(dāng)非均質(zhì)性較弱時(shí)裂紋擴(kuò)展路徑接近于均質(zhì)材料，而當(dāng)非均質(zhì)性較強(qiáng)時(shí)，裂紋擴(kuò)展路徑與均質(zhì)材料中的路徑相差很大。
　　在模擬斷裂過程中，三角形元胞的非均勻結(jié)構(gòu)在一定程度上會(huì)影響斷裂路徑。為了解決這一問題，本文發(fā)展了正六邊形元胞。正六邊形的幾何對(duì)稱性更好，能在

3、一定程度上減少網(wǎng)格依賴性。使用正六邊形元胞的另一個(gè)原因是巖石材料在微觀上包含很多多邊形顆粒，用正六邊形元胞來(lái)模擬每一個(gè)顆粒的行為是合適的。運(yùn)用這種六邊形的DVIB模型，再現(xiàn)了受沖擊荷載三點(diǎn)彎曲梁不同位置初始缺口導(dǎo)致不同裂紋擴(kuò)展模式、裂紋分岔等經(jīng)典試驗(yàn)中的現(xiàn)象。這些算例也表明了Discretized-VIB方法是一種有可用的、簡(jiǎn)單的動(dòng)態(tài)斷裂模擬方法。
　　原DVIB可以很好地模擬受拉破壞，但不能很好地模擬巖土材料在三軸圍壓應(yīng)力狀態(tài)下

4、壓剪破壞的力學(xué)行為，這一點(diǎn)限制了它在巖土工程中的應(yīng)用。為了解決這一問題，本文借助元胞的等效應(yīng)力思想，在微觀層面上引入了Mohr-Coulomb準(zhǔn)則，并且建立了微觀內(nèi)摩擦角、粘結(jié)強(qiáng)度和對(duì)應(yīng)宏觀常數(shù)之間的關(guān)系。數(shù)值分析表明，改進(jìn)后的DVIB模型能夠很好地再現(xiàn)巖石材料三軸抗壓強(qiáng)度特征。
　　格構(gòu)模型中另一個(gè)難以突破的問題是固定泊松比問題。對(duì)此，本文首先改進(jìn)了Stillinger-Weber(SW)勢(shì)函數(shù)，將其適用范圍擴(kuò)展到硅以外的材料，