abaqus 巖石破壞的案例
巖石邊坡工程課程---邊坡破壞的原因(C3)
1 引言
在<巖石邊坡工程課程---邊坡破壞模式(C1,C2)>的基礎(chǔ)上, 這個筆記簡要總結(jié)了C3的核心部分---邊坡破壞的原因, 即邊坡穩(wěn)定性的影響因素. 本質(zhì)上來說,這是一個非常寬廣和需要深入討論的話題, 但在有限的時間內(nèi)不能覆蓋所有內(nèi)容, 僅從與后面課程內(nèi)容銜接的角度講授了最重要的部分.
2 邊坡破壞的原因
影響邊坡穩(wěn)定性的因素有內(nèi)在因素與外在因素兩個方面。內(nèi)在因素包括組成邊坡巖體的性質(zhì)、地質(zhì)構(gòu)造、巖體結(jié)構(gòu)、地應(yīng)力(構(gòu)造應(yīng)力)等，這些因素常常起著控制和主導(dǎo)作用; 外在因素包括地表水和地下水的作用、地震、風(fēng)化作用、人工挖掘、爆破以及工程荷載等。此外, 邊坡外形既是內(nèi)因也是外因. 除了這些總的論述外, 本次課程把重點(diǎn)集中在節(jié)理巖體性質(zhì)和地應(yīng)力這兩個方面.
3 節(jié)理巖體的性質(zhì)
對于原巖應(yīng)力較小的淺層節(jié)理巖體，原巖本身破壞的可能性較小，主要的破壞模式是沿著不連續(xù)面發(fā)生滑動，因此巖體結(jié)構(gòu)控制著邊坡穩(wěn)定性. 首先回顧了工程地質(zhì)學(xué)的基礎(chǔ)概念: 走向,傾向,傾角, 接著著重講解了節(jié)理間距, 節(jié)理長度, 粗糙度以及節(jié)理內(nèi)的充填物等影響邊坡穩(wěn)定的關(guān)鍵因素. 一些擴(kuò)展討論參看下面的鏈接.
展開 巖石邊坡工程課程---傾倒破壞(Toppling Failure)分析(C9)
1 引言
在先前的課程中，討論了平面滑動和楔形滑動安全系數(shù)的計算方法【巖石邊坡工程課程---平面滑動(Planar Sliding/Wedge)穩(wěn)定性分析(C7)；[重要]巖石邊坡工程課程---楔形滑動(Wedge Sliding)分析(C8)】，這節(jié)課(C9)討論傾倒破壞(Toppling Failure)的分析方法。傾倒破壞除了出現(xiàn)在一些懸崖峭壁的地形外，露天采礦邊坡通常也會發(fā)生這種形式的破壞，一個典型的例子是Chuquicamata礦西幫邊坡發(fā)生的傾倒破壞【Chuquicamata(丘基卡馬塔)露天礦巖石力學(xué)研究】，Rapiman(1993)分析了發(fā)生破壞的原因，可能是邊坡面和臺階巖體裂縫拉伸發(fā)展導(dǎo)致的；作為Itasca的咨詢項(xiàng)目，Board等人(1996)使用FLAC和UDEC對這個破壞進(jìn)行了數(shù)值模擬。
因?yàn)閮A倒破壞會出現(xiàn)多種破壞型式，所以沒有單一的求解方法。這節(jié)課的內(nèi)容只要求理解傾倒破壞的各種具體類型，分析方法特別是數(shù)值模擬部分涉及到多個領(lǐng)域先進(jìn)的理論和技術(shù)，已經(jīng)超出了本課程的范圍，作為一般了解即可。
2 傾倒破壞的類型
傾倒破壞(Toppling Failure)的概念最初由Goodman and Bray在上世紀(jì)70年代提出, 意指一組平行節(jié)理的巖體朝著邊坡方向發(fā)生的傾覆。按照Goodman and Bray(1976)的分類, 傾倒破壞可以分為三種形式: (a)塊體傾倒(Block Toppling); (b)屈曲傾倒(Flexural toppling); (c)塊體屈曲傾倒(Block flexure toppling)，如下圖所示。
展開 巖石內(nèi)部水力壓裂破壞失效仿真分析
圖1網(wǎng)格模型
4有限元分析
關(guān)于cohesive單元的嵌入，需要注意的是本次案例是在abaqus2017版本上進(jìn)行的，若是abaqus2016及以下版本則并沒有提供insert cohesive seams功能。在這里，需要打開命令mesh→edit，將類型修改為select from interior entities，按照軟件提示信息選擇模型中間內(nèi)部剖面，單擊done完成零厚度的cohesive孔壓單元，在信息窗口中提示插入單元和新建集合的情況，如圖2所示。至于其他接觸約束及邊界條件的建立參考上傳附件內(nèi)容，這里不再詳細(xì)說明。
圖2嵌入cohesive單元命令
5結(jié)果
5.1損傷單元動態(tài)分布云圖
6結(jié)論
應(yīng)用cohesive單元可以很好地模擬巖土類內(nèi)部單元損傷破壞的現(xiàn)象，相對于試驗(yàn)，其簡單的仿真操作步驟極大降低了時間、經(jīng)濟(jì)成本，能夠知道巖土內(nèi)部破壞的參數(shù)優(yōu)化及損傷預(yù)測。
參考文獻(xiàn)
[1]江丙云.ABAQUS分析之美[M].北京：人民郵電出版社，2021.
展開 水射流沖擊破壞（巖石，混凝土等）
高壓水射流沖擊
基于LS-DYNA的SHPB霍普金森壓桿模擬巖石破壞形態(tài)
在進(jìn)行巖石類試驗(yàn)時，由于巖石試件可能會突然斷裂，因此在試樣上貼應(yīng)變片往往會產(chǎn)生不可避免的誤差，而SHPB試驗(yàn)系統(tǒng)可以有效避免這一現(xiàn)象，因此被廣泛應(yīng)用于巖土領(lǐng)域的動力學(xué)研究中。巖石的力學(xué)性質(zhì)具有明顯的應(yīng)變率效應(yīng)，研究巖石的動態(tài)力學(xué)性能，能夠?yàn)榫?xì)化爆破、圍巖保護(hù)、優(yōu)化爆破和支護(hù)參數(shù)提供依據(jù)，對高效破巖、改善破巖效果、提高巷道掘進(jìn)速度以及保障煤礦井下安全有重要意義。
LS-DYNA軟件可以準(zhǔn)確的模擬出這一實(shí)驗(yàn)過程，目前在學(xué)術(shù)論文中非常常見，關(guān)于相關(guān)的教學(xué)資料也較多。事實(shí)上，SHPB數(shù)值模擬建模較為容易，但在進(jìn)行仿真時，往往受限于損傷本構(gòu)模型而無法直接模擬出巖石試件的破壞形態(tài)。這就需要引入單元侵蝕準(zhǔn)則，關(guān)于這一關(guān)鍵字可以在我以往帖子中或關(guān)鍵字手冊中詳細(xì)了解。我們可以根據(jù)試樣在沖擊時的受力模式，針對性的添加單元侵蝕準(zhǔn)則，從而可以模擬出真實(shí)的巖樣破碎形態(tài)。動態(tài)壓縮和劈裂的模擬結(jié)果展示如下：
（1）動態(tài)壓縮
（2）動態(tài)劈裂
另外，SHPB模擬也應(yīng)注重入射波的整形問題，盡量避免矩形波的出現(xiàn)，我們可以通過建立紡錘形彈體或變截面入射桿來將入射波整形為標(biāo)準(zhǔn)的半正弦波。事實(shí)上，目前更流行的是直接對入射桿端面加載自己試驗(yàn)打出來的波形，這樣反而更能真實(shí)地模擬出自己試驗(yàn)時的三波波形。
展開 巖石邊坡傾倒破壞之塊體傾倒(Block Toppling)數(shù)據(jù)集
1 引言
傾倒破壞(Toppling Failure) 這個詞最初是由是Goodman and Bray在上世紀(jì)70年代提出, 意指一組平行節(jié)理的巖體朝著邊坡方向發(fā)生的傾倒破壞。按照Goodman and Bray(1976)的分類, 傾倒破壞可以分為三種形式: (a) 塊體傾倒(Block Toppling); (b) 屈曲傾倒(Flexural toppling); (c) 塊體屈曲傾倒(Block flexure toppling). 如下圖所示.
過去的公眾號文章中多次討論過傾倒破壞, 參看如下的鏈接.
屈曲傾倒破壞(flexural toppling failure)
邊坡工程---巖體邊坡的破壞模式
巖土邊坡的破壞類型(C3)(Failure types of slope)
Chuquicamata(丘基卡馬塔)露天礦巖石力學(xué)研究
除了上面所述的三種傾倒模式外, Wyllie and Mah(2004)也討論過另一種傾倒模式,稱之為次傾倒模型(Secondary toppling modes). 這種破壞模式主要由巖石風(fēng)化以及人類活動引起. 最典型的情形是坡腳開挖引起邊坡上部巖體發(fā)生傾倒破壞, 如下圖(d)所示.
展開 巖石邊坡工程課程---圓形破壞[極限平衡法(Limit Equilibrium Method)] (C11)
1 引言
在先前的筆記中，我們討論了四種破壞形式的分析方法，這四種破壞形式基本上都算是局部破壞(local failure)。
巖石邊坡工程課程---平面滑動(Planar Sliding/Wedge)穩(wěn)定性分析(C7)
巖石邊坡工程課程---楔形滑動(Wedge Sliding)分析(C8)
巖石邊坡工程課程---傾倒破壞(Toppling Failure)分析(C9)
巖石邊坡工程課程---巖石崩落分析(Rockfall Analysis) (C10)
邊坡的整體破壞(global failure)分析需要使用數(shù)值方法，最典型的有三大類方法：極限平衡法，極限分析法和各種各樣的數(shù)值模擬法，極限分析法和數(shù)值模擬法(FEM,BEM，DEM等)超出了本課程的范圍，在此我們只討論極限平衡法(Limit Equilibrium Method, LEM)。
2 LEM的特點(diǎn)
歷史上，極限平衡法與圓形破壞緊密地聯(lián)系在一起，這是由于極限平衡法最初是在土力學(xué)領(lǐng)域提出的，而土邊坡的破壞形式大部分近似于圓形破壞，如下面視頻所示的土壩破壞。
從巖土工程視角看本周美國水壩的損壞
不過這不意味著破壞面是個真正的圓弧。隨著計算理論的不斷發(fā)展和改進(jìn)，現(xiàn)在極限平衡法能夠處理折線形的破壞面，因而為分析巖石邊坡穩(wěn)定性提供了新的途徑，例如【使用BLOCK算法搜索邊坡的最小滑動面。】極限平衡法的優(yōu)點(diǎn)是計算速度快，操作簡單，結(jié)果直觀，因而深受實(shí)踐的巖土工程師的喜愛。極限平衡法的缺點(diǎn)是預(yù)設(shè)了破壞面，不考慮巖土體的應(yīng)力應(yīng)變關(guān)系，因而只能求出安全系數(shù)，不能得到位移。
全面回顧極限平衡法的歷史不是本筆記和本課程的目的，主要原因是：(1) 學(xué)時所限(僅2個學(xué)時); (2) 工程應(yīng)用。
展開 基于LS-DYNA的超高速彈體對圓柱狀巖石侵徹動態(tài)破壞形態(tài)模擬（附K文件） ￥39.9
本案例采用顯示動力分析有限元分析軟件 LS-DYNA，選取合適的網(wǎng)格尺寸和模型參數(shù)，建立彈體和花崗巖靶體的計算模型，采用 Lagrange 算法、花崗巖采用HJC模型，經(jīng)過不斷調(diào)試參數(shù)，獲得比較接近實(shí)驗(yàn)的一組參數(shù)用于模擬，模擬和實(shí)驗(yàn)的結(jié)果對照如下
本案例適用于研究爆炸、沖擊、侵徹動力學(xué)的朋友，下面附上該模擬的K文件，大家有疑問可以在私信我，歡迎交流！
ABAQUS 斷裂破壞
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abaqus板柱節(jié)點(diǎn)沖切破壞
本人最近做的一個板柱節(jié)點(diǎn)模型，有需要的伙伴可以下載
無梁樓蓋模型.rar
ABAQUS 內(nèi)壓力破壞
ABAQUS 內(nèi)壓力破壞
ABAQUS隨機(jī)球體骨料及界面過渡區(qū)混凝土軸壓破壞
混凝土中粗骨料與水泥砂漿之間的界面過渡區(qū)（ITZ）損傷是混凝土在荷載下發(fā)生破壞的主要因素，骨料與水泥漿體的粘結(jié)界面層損傷規(guī)律對混凝土細(xì)觀損傷研究具有重要意義。本案例通過CAD隨機(jī)球體顆粒&過渡區(qū)3D插件建立球體骨料及界面過渡區(qū)三維細(xì)觀混凝土模型，并將模型導(dǎo)入ABAQUS內(nèi)，通過Concrete Damaged Plasticity Model，研究細(xì)觀混凝土在軸壓荷載下ITZ及水泥砂漿的損傷演化規(guī)律。
在AutoCAD軟件內(nèi)，采用CAD隨機(jī)球體顆粒&過渡區(qū)3D V1.0插件建立隨機(jī)投放的球體粗骨料、界面過渡區(qū)(ITZ)部件及水泥砂漿基體三維模型，并將粗骨料、ITZ與水泥砂漿分別導(dǎo)出為.iges格式文件備用。
將導(dǎo)出的模型文件以部件的形式導(dǎo)入到ABAQUS內(nèi)。
對骨料、ITZ、砂漿分別指定材料，其中砂漿及界面過渡區(qū)均采用CDP模型。
新建離散剛體殼部件，作為試件的荷載施加板，并將其與試件裝配為整體。設(shè)置相互作用，通過參考點(diǎn)創(chuàng)建耦合約束，設(shè)置加載板與試件的接觸，接觸類型選用表面與表面接觸，并設(shè)置罰。
將下板設(shè)置為固定約束，上板添加豎向位移。
對球體骨料及界面過渡區(qū)混凝土模型劃分網(wǎng)格。
創(chuàng)建并提交作業(yè)，查看結(jié)果。
展開 abaqus顯示動力學(xué)應(yīng)用-鉆頭切削巖石
abaqus擁有強(qiáng)大的顯示動力學(xué)求解能力，應(yīng)用abaqus的Explicit做了個牙輪鉆頭切削巖石的案例，總結(jié)以下幾個遇到的問題：
1.不開多線程可以正常求解，一開多線程就報錯？
在顯示動力學(xué)接觸設(shè)置中，abaqus軟件默認(rèn)的是動態(tài)接觸算法（Kinematic contact algorithm）,當(dāng)開啟多線程時就會由于求解速度過高而產(chǎn)生計算的不穩(wěn)定性，而該算法的接觸約束嚴(yán)格性很高，因此當(dāng)遇到求解不穩(wěn)定時就會產(chǎn)生報錯從而導(dǎo)致計算終止。由于罰函數(shù)法的接觸約束嚴(yán)格性要低于動態(tài)接觸算法，因此改為罰函數(shù)法（penalty contact method）即可。
2.切削中鉆頭和巖石發(fā)生穿透？
在切削仿真中鉆頭和巖石間的接觸壓力、接觸剛度和許用穿透量之間的平衡被打破。可以細(xì)化接觸區(qū)域網(wǎng)格; 修改接觸剛度;用軟接觸代替硬接觸
3.仿真中的求解不穩(wěn)定性問題？
由于abaqus explicit的接觸算法對接觸面的類型有較嚴(yán)格的限制,而切削仿真又是一個高度非線性求解過程，這些都會導(dǎo)致求解的不穩(wěn)定。可以采用細(xì)化網(wǎng)格、調(diào)節(jié)增量步長、采用ALE技術(shù)、在接觸中引入阻尼等來完成的。
4.巖石的切削形態(tài)如何控制？
建議失效選用位移方式，合理選擇失效數(shù)值
5.求解時間較長？
顯式動力學(xué)是采用顯式算法進(jìn)行動力學(xué)方程的求解，顯式算法最大優(yōu)點(diǎn)是有較好的穩(wěn)定性，不存在隱式算法中的收斂性問題。顯式動力學(xué)最適合發(fā)生在短時間，幾毫秒內(nèi)的事件或更小時間。持續(xù)1秒以上的事件可以模擬但是需要較長的時間，通過諸如質(zhì)量縮放和動態(tài)松弛之類的技術(shù)可用于提高模擬效率減少計算時長。
求解效果圖如下：
展開 ABAQUS纖維混凝土沖擊破壞三維模型
纖維混凝土作為土木工程領(lǐng)域常用的復(fù)合材料具備良好的抗裂性及抗沖擊性能，纖維混凝土在荷載下的破壞行為及本構(gòu)關(guān)系對其應(yīng)用范圍具有重要影響。本案例通過AutoCAD隨機(jī)三維纖維插件建立隨機(jī)投放的圓柱體纖維模型，并將模型導(dǎo)入ABAQUS內(nèi)，通過混凝土損傷塑性力學(xué)模型，研究沖擊荷載作用下鋼纖維混凝土的破壞情況。
在AutoCAD軟件內(nèi)，采用CAD 隨機(jī)三維纖維V1.1插件建立隨機(jī)投放的圓柱體實(shí)體纖維及立方體混凝土試件三維模型，并將基體與纖維部件分別導(dǎo)出為.iges格式文件備用。
將導(dǎo)出的纖維模型文件以部件的形式導(dǎo)入到ABAQUS內(nèi)。
對纖維及基體部件分別設(shè)置材料，基體部分設(shè)置混凝土損傷塑性模型(CDP)，纖維部分設(shè)置為鋼材。
新建離散剛體殼部件，作為試件的荷載施加板，并將其與試件裝配為整體。
添加動力，顯式分析步，并設(shè)置相互作用，通過參考點(diǎn)創(chuàng)建耦合約束，設(shè)置加載板與試件的接觸。
將下板設(shè)置為固定約束，上板添加豎向位移。
對纖維混凝土模型劃分網(wǎng)格。
創(chuàng)建并提交作業(yè)，查看結(jié)果。
展開 abaqus動態(tài)載荷下薄壁鋁擠壓的漸進(jìn)破壞分析
abaqus動態(tài)載荷下薄壁鋁擠壓的漸進(jìn)破壞分析
