裂隙擴(kuò)展的案例
基于ABAQUS的隧洞圍巖裂隙擴(kuò)展二次開發(fā)及研究
本節(jié)將破壞準(zhǔn)則（1）嵌入VUSDFLD子程序中,對(duì)含預(yù)制裂隙巖石在單軸壓縮試驗(yàn)進(jìn)行模擬。
巖石破壞始于裂隙擴(kuò)展,終于巖石整體的破壞。在加載初期（圖4(a））,橢圓形裂隙的兩端應(yīng)力不斷增加,出現(xiàn)應(yīng)力集中現(xiàn)象。此時(shí)最大Mises應(yīng)力為1.08 MPa,最大主應(yīng)力為0.63 MPa。隨著豎向荷載的不斷增加（圖5(b））,裂隙尖端的單元體率先達(dá)到破壞條件被刪除。裂隙擴(kuò)展主要有水平和豎直兩個(gè)方向,均垂直于裂隙的長邊。加載后期（圖4(c））,裂隙周邊達(dá)到破壞條件的單元體增加,裂隙不斷擴(kuò)展,最終形成宏觀裂縫。
裂隙的上下兩側(cè)大部分區(qū)域受拉,裂隙下部的受拉區(qū)域明顯大于上部（圖4(b））,最大受拉應(yīng)力集中區(qū)域在裂隙尖端附近。隨豎向應(yīng)力的增大,預(yù)制裂隙擴(kuò)展,試件內(nèi)部拉應(yīng)力分布情況發(fā)生變化。翼裂紋在拉應(yīng)力集中區(qū)擴(kuò)展,其位置隨反翼裂紋擴(kuò)展過程中裂尖的變化而變化。同時(shí),壓應(yīng)力最大值集中在裂尖附近,隨著荷載的增大,最大壓應(yīng)力值不斷增大且集中越明顯。而且,壓剪應(yīng)力最大值區(qū)域靠近裂隙的里面,拉剪應(yīng)力最大值區(qū)域位于裂隙尖端。隨著荷載的增加,壓剪應(yīng)力最大值區(qū)與拉剪應(yīng)力最大值區(qū)不斷沿裂隙尖端水平方向移動(dòng)。
試件在加載前期,剪應(yīng)力最大值區(qū)域、最小主應(yīng)力最大值區(qū)域主要集中在預(yù)制裂隙的水平方向裂尖區(qū)域,最大主應(yīng)力區(qū)域主要集中在豎直方向裂尖區(qū)域。隨著荷載的增加,裂尖的水平方向的應(yīng)力狀態(tài)符合MC破壞準(zhǔn)則發(fā)生破壞。整個(gè)過程中,壓剪應(yīng)力場中裂紋的擴(kuò)展方向沿著最大拉應(yīng)力方向（圖4(c））。
圖4 巖石破壞截面圖（單位：MPa)
圖5 應(yīng)力-應(yīng)變曲線圖
從模型提取巖石應(yīng)力-應(yīng)變曲線（圖5）,巖石抗壓強(qiáng)度峰值為3.23 MPa,此時(shí)峰值應(yīng)變?yōu)?.033。巖石在早期受壓的過程中,巖石內(nèi)部裂隙閉合,基體壓密。在此階段,巖石變形較小。隨后,巖石處于彈性變形階段（OA階段）。
展開 基于LS-DYNA的準(zhǔn)二維巖體爆破裂紋的模擬(附K文件） ￥19.8
當(dāng)炸藥起爆時(shí)，壓力急劇增大，爆破孔周圍巖體被壓碎形成破碎區(qū)，而周圍巖體受到拉應(yīng)力產(chǎn)生裂縫，形成裂隙擴(kuò)展區(qū)。本案例巖石模型采用003號(hào)材料*MAT_PLASTIC_KINEMATIC，裝藥方式采用空氣不耦合裝藥，通過定義失效準(zhǔn)則，使得巖體產(chǎn)生破碎及擴(kuò)展裂隙，模擬結(jié)果如下
本案例適用于研究爆炸、沖擊、侵徹動(dòng)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！
基于DYNA的含裂隙巖體爆破裂紋及擴(kuò)展及損傷模擬 ￥48.9
巖體中的裂隙直接影響爆破應(yīng)力波在巖體中的傳播，進(jìn)而影響爆破效果。本案例研究了含裂隙巖體爆破中裂紋的擴(kuò)展及損傷過程，Ls-dyna模擬了爆炸應(yīng)力波在裂隙巖體中的傳播特性。結(jié)果表明:爆破過程中應(yīng)力波分布不均勻，主要向自由表面?zhèn)鞑ラ]合型宏觀裂隙阻礙爆炸應(yīng)力波的傳播，且在裂隙處會(huì)止裂，裂紋及損傷會(huì)繞過裂隙處，模擬結(jié)果如下 ：
圖1 含裂隙巖體爆破裂紋及擴(kuò)展有限元模型
圖2 含裂隙巖體爆破裂紋及擴(kuò)展過程
圖3 含裂隙巖體爆破裂紋及等效應(yīng)力波傳播過程
本案例適用于研究爆炸、沖擊、侵徹動(dòng)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！
展開 基于LS-DYNA的準(zhǔn)二維巖體爆破裂紋模擬2 ￥39.9
當(dāng)炸藥起爆時(shí)，壓力急劇增大，爆破孔周圍巖體被壓碎形成破碎區(qū)，而周圍巖體受到拉應(yīng)力產(chǎn)生裂縫，形成裂隙擴(kuò)展區(qū)。本案例巖石模型采用272號(hào)材料*MAT_RHT，模型算法采用ALE(任意拉格朗日-歐拉算法），由材料自帶的損傷參數(shù)獲得巖體產(chǎn)生破碎去及擴(kuò)展裂隙過程，模擬結(jié)果如下
圖1 巖體斷面裂紋擴(kuò)展模擬結(jié)果與試驗(yàn)結(jié)果比較
圖2 巖體斷面裂紋擴(kuò)展及損傷變化模擬結(jié)果
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Comsol-裂隙多孔介質(zhì)流固耦合-損傷模型 ￥650
針對(duì)裂隙多孔介質(zhì)流體注入引起天然裂隙的激活，巖石產(chǎn)生新?lián)p傷形成水力裂縫，本案例建立了裂隙多孔介質(zhì)流固耦合-損傷模型，實(shí)現(xiàn)如下功能：
（1）采用comsol with matlab建立隨機(jī)天然裂隙網(wǎng)絡(luò)幾何模型；
（2）針對(duì)天然裂隙，建立裂隙模型，考慮其變形過程對(duì)裂縫寬度和滲透率的影響，可得到裂隙寬度分布；
（3）考慮損傷演化過程和流固耦合作用，巖石孔隙度和滲透率隨著損傷和應(yīng)力大小變化；
（4）可用于分析水力裂隙擴(kuò)展以及壓后滲透率改變等。
部分結(jié)果圖：
幾何模型
Mises stress分布
Pressure分布
Damage分布
Fracture width分布
參考文獻(xiàn)：
Qinghua Lei. Modelling fluid injection-induced fracture activation, damage growth, seismicity occurrence and connectivity change in naturally fractured rocks. International Journal of Rock Mechanics & Mining Sciences 138 (2021) 104598.
展開 方案 | Hydraulic Fracturing Simulator 地下資源開采水力壓裂仿真解決
3）流固耦合分析：基于ANSYS開發(fā)的各向異性滲流分析與雙向流固耦合技術(shù)，考慮滲流與裂隙擴(kuò)展的交互影響，真實(shí)模擬水力壓裂過程。
4）optiSLang：Dynardo開發(fā)的多參數(shù)、多目標(biāo)優(yōu)化分析軟件，基于MOP技術(shù)提供了當(dāng)今最高效的參數(shù)敏感性與優(yōu)化分析功能，可以基于實(shí)測數(shù)據(jù)對(duì)數(shù)百個(gè)不確定性輸入?yún)?shù)進(jìn)行快速反演分析，并對(duì)壓裂設(shè)計(jì)與產(chǎn)量進(jìn)行優(yōu)化。
參數(shù)反演針對(duì)某階段壓裂施工的初始地應(yīng)力條件、灌注流量、井底壓力、瞬時(shí)關(guān)井壓力、微震監(jiān)測數(shù)據(jù)等工程測量數(shù)據(jù)進(jìn)行，其目標(biāo)是確定合理的輸入?yún)?shù)以保證仿真結(jié)果與實(shí)測數(shù)據(jù)一致。反演得到的有效預(yù)測模型可用于后續(xù)工程階段或者同氣藏其他氣井的產(chǎn)量預(yù)測與優(yōu)化。
Hydraulic Fracturing SImulator的水力壓裂分析流程
Hydraulic Fracturing Simulator的優(yōu)勢與用戶價(jià)值
1）Hydraulic Fracturing Simulator是目前唯一基于三維有限元技術(shù)的水力壓裂模擬解決方案，可以真實(shí)模擬地質(zhì)結(jié)構(gòu)及其力學(xué)行為，并在模型中考慮所有工程參數(shù)，包括地質(zhì)勘探、測井?dāng)?shù)據(jù)、壓裂液參數(shù)、壓裂設(shè)計(jì)參數(shù)等。
2）基于先進(jìn)的力學(xué)模型，可以模擬復(fù)雜節(jié)理網(wǎng)絡(luò)與完整巖體的斷裂破壞，包括空間剪切破壞和拉伸破壞，是目前唯一可以真實(shí)反映節(jié)理發(fā)育巖體（如頁巖）斷裂機(jī)理的水力壓裂解決方案。
壓裂擴(kuò)展過程裂隙張開度以及節(jié)理巖體滲透系數(shù)
3）瞬態(tài)滲流與應(yīng)力分析的雙向耦合，真實(shí)模擬水力壓裂過程。
4）基于現(xiàn)場實(shí)測數(shù)據(jù)進(jìn)行參數(shù)反演，有效地解決了參數(shù)不確定性問題，保證了模型的有效性。
展開 lsdyna模擬爆破裂紋發(fā)展 ￥1
在實(shí)際計(jì)算過程中，未考慮空氣受熱膨脹對(duì)裂隙尖端產(chǎn)生的拉力，希望有相同研究興趣的可以一塊交流一下。
采用ALE算法（設(shè)置空單元）還是拉格朗日算法（流固耦合）取決于*SECTION_SOLID_ALE關(guān)鍵字中ELFORM的設(shè)置（11or12），設(shè)置11為流固耦合，需要控制*ALE_MULTI-MATERIAL_GROUP關(guān)鍵字，設(shè)置12為空單元，需要控制*INITIAL_VOID_PART和*CONSTRAINED_LAGRANGE_IN_SOLID關(guān)鍵字。
裂隙的產(chǎn)生擴(kuò)展通過添加*MAT_ADD_EROSION控制材料失效標(biāo)準(zhǔn)。本案例設(shè)置的是mnpres失效，即拉應(yīng)力失效，具體數(shù)值根據(jù)材料動(dòng)載破壞強(qiáng)度和期望效果調(diào)整。
Uncoupling_1_25.k
展開 爆破裂紋擴(kuò)展CAE仿真（蛛網(wǎng)式裂紋）
各巖體間巖體位移不一致，相互間會(huì)產(chǎn)生作用力，作用力為切向應(yīng)力，在破壞巖體的某一范圍內(nèi)，切向應(yīng)力將大大超過巖體自身的動(dòng)抗壓強(qiáng)度，由然在球形藥包附近的巖體會(huì)產(chǎn)生許許多多徑向裂隙。徑向裂隙產(chǎn)生后，爆生氣體進(jìn)一步泄放，裂隙繼續(xù)延伸擴(kuò)展，巖體加劇破碎。根據(jù)自由面距離和炸藥量等，巖體被破壞,可能被拋出形成爆破漏斗，或向自由面微微隆起。
二、仿真工具
本文采用Oasys、HyperWorks 前后處理器和LS-DYNA V971 求解器。
三、模型簡介
本例為2維爆破仿真模型，淺孔自由面垂直向上，應(yīng)力波首先傳播至表面，淺孔爆破會(huì)創(chuàng)造出新的自由面；深孔為孔底起爆，爆生氣體貫穿底部，深孔處開始破碎，爆炸應(yīng)力波傳播至分界處產(chǎn)生反射；部分爆炸應(yīng)力波繼續(xù)向上傳播，因淺孔處產(chǎn)生新的自由面，部分爆炸應(yīng)力波沿淺孔方向向上傳播
四、仿真動(dòng)畫（手機(jī)APP用戶要點(diǎn)擊圖片才能看到動(dòng)畫哦）
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展開 三種生成預(yù)制裂隙的方法
預(yù)制裂隙的裂紋擴(kuò)展也是近年比較熱的研究課題，因?yàn)閹r石往往不會(huì)是一個(gè)完整的，所以研究含裂隙的巖石非常有必要。但是隨機(jī)裂隙又不是特別的規(guī)律性，所以預(yù)制裂隙的研究就顯得尤為重要。
這里介紹三種預(yù)制裂隙的方法。
一、刪除顆粒形成預(yù)制裂隙
這個(gè)是最簡單也是最直接的方法，直接根據(jù)裂隙的角度、長度、厚度，在我們需要加裂隙的地方刪除原本存在的顆粒。注意這個(gè)裂隙的平整度對(duì)顆粒數(shù)要求比較高，如果裂隙厚度大于顆粒粒徑很多的話，效果會(huì)比較好點(diǎn)。
下面為在已經(jīng)加膠結(jié)的試樣中刪除顆粒的方法：
這里的裂隙都為角度為30，厚度為10mm，長度為0.1*wlx的裂隙。
這里的邏輯也比較簡單，range后面加多個(gè)條件是取交集的意思，這里其實(shí)有兩個(gè)range。
第一個(gè)range是一個(gè)plane，plane可以指定某個(gè)半平面，還有個(gè)用法，是指定這個(gè)plane線附近的區(qū)域。這里就是第二個(gè)用法，origin和dip確定直線，distance確定的是離這個(gè)直線的距離，我們?cè)囈幌虏患雍竺鎥條件下是什么效果：這里因?yàn)楹穸葲]有比粒徑大很多，導(dǎo)致某些顆粒沒刪除，可以看出不加x條件的話，刪除了有厚度的線區(qū)域。
加了x條件取了交集后，就是我們想要的區(qū)域了：
二、使用dfn施加sj模型
在PFC手冊(cè)里面也有一個(gè)使用dfn加滑裂面的例子，這里道理一樣，先生成我們所需要的dfn，然后在dfn某距離內(nèi)生成sj模型就可以了。這個(gè)邏輯也不難，sj模型我了解的不深，所以這里我也不敢多講。
展開 Abaqus在巖土工程中的應(yīng)用
A BAQUS可以很好地模擬巖土的力學(xué)性能及對(duì)巖土工程的各個(gè)方面進(jìn)行模擬包括非線性應(yīng)力- 應(yīng)變關(guān)系、瞬態(tài)固結(jié)、穩(wěn)態(tài)流變、井點(diǎn)降水、土體液化分析、施工過程、巖土的應(yīng)力- 變形與穩(wěn)定性、邊坡應(yīng)力及穩(wěn)定性、邊坡和硐室錨固效應(yīng)分析、路基、底座、深基坑、樁等的承載能力與沉陷分析、土體與鋼筋混凝土道路主體間的相互作用、錨固鋼纜、預(yù)應(yīng)力鋼筋、鋼支撐、隧道加強(qiáng)筋等鋼結(jié)構(gòu)與巖土和混凝土在溫度和外力作用下裂隙的分布與擴(kuò)展過程模擬。
與其他領(lǐng)域相比，巖土工程中的數(shù)值分析有其本身的特點(diǎn)，ABAQUS具備解決巖土工程相應(yīng)問題的功能，簡要分析如下：
（1）擁有能夠真實(shí)反映土體性狀的本構(gòu)模型，如土體的屈服特性、剪脹特性等。ABAQUS擁有摩爾庫倫模型、Druker-Prager模型、Cam-Clay模型（修正劍橋模型）等，可真實(shí)反應(yīng)土體的大部分應(yīng)力應(yīng)變特點(diǎn)。其中修正劍橋模型是很多其他通用有限元軟件所沒有tigong的。另外，ABAQUS還tigong了二次開發(fā)接口，用戶可以靈活地自定義材料特性。
（2）土體是典型的三相體，普遍認(rèn)為土體的強(qiáng)度和變形取決于有效應(yīng)力，因此軟件必須能夠進(jìn)行有效應(yīng)力計(jì)算。ABAQUS中包含孔壓單元，可以進(jìn)行飽和土和非飽和土的流體滲透/應(yīng)力耦合分析（如固結(jié)、滲透等），可以滿足這一要求。
（3）巖土工程中經(jīng)常涉及到土與結(jié)構(gòu)的相互作用問題，二者之間的接觸特性需要得到正確模擬。ABAQUS具有強(qiáng)大的接觸面處理功能，可以正確模擬土與結(jié)構(gòu)之間的脫開、滑移等現(xiàn)象。
（4）巖土工程數(shù)值分析需要軟件具有處理復(fù)雜邊界、載荷條件的能力。
展開 Abaqus在地下及橋梁工程中的應(yīng)用
Abaqus可很好地模擬巖土的力學(xué)性能及對(duì)巖土工程的各個(gè)方面進(jìn)行模擬，包括非線性應(yīng)力-應(yīng)變關(guān)系、瞬態(tài)固結(jié)、穩(wěn)態(tài)流變、井點(diǎn)降水、土體液化分析、施工過程、巖土的應(yīng)力-變形與穩(wěn)定性、邊坡應(yīng)力及穩(wěn)定性、邊坡和硐室錨固效應(yīng)分析、路基、底座、深基坑、樁等的承載能力與沉陷分析、土體與鋼筋混凝土道路主體間的相互作用、錨固鋼纜、 預(yù)應(yīng)力鋼筋、鋼支撐、隧道加強(qiáng)筋等鋼結(jié)構(gòu)與巖土和混凝土在溫度和外力作用下裂隙的分布與擴(kuò)展過程模擬。
隧道開挖問題
工程結(jié)構(gòu)總是按照一定的操作順序施工的，控制條件不一定是施工結(jié)束時(shí)，而往往在施工過程中。巖土工程分析要?jiǎng)討B(tài)地模擬施工過程中結(jié)構(gòu)形體的變化、材料的演變、約束與外載條件的改變等。這是與材料非線性、幾何非線性或邊界非線性而不同的一種非線性，只能用計(jì)算過程的模擬才能體現(xiàn)出來，也就是說巖土工程分析應(yīng)當(dāng)是一種動(dòng)態(tài)的過程分析，只有進(jìn)行過程分析，其結(jié)果才是合理的。
非飽和膨脹土的開挖問題
巖土工程分析往往涉及到固體介質(zhì)和流體的相互作用，所以要引入有效應(yīng)力來更明確地描述固體骨架的受力狀態(tài)。由于將固體骨架與孔隙流體的滲透同步考慮，不僅需滿足平衡方程，物理方程和幾何方程，還需考慮有效應(yīng)力原理和連續(xù)方程，必要時(shí)進(jìn)行考慮滲流場、應(yīng)力場、溫度場、化學(xué)場等多場耦合的分析。
地球表面很大一部分處于干旱或半干旱地帶，因此，工程中遇到的土大多數(shù)處于非飽和狀態(tài)，濕陷性黃土、膨脹土、熱帶殘積土和人工填土等都是典型的非飽和土。非飽和土是固-液-汽三相復(fù)合介質(zhì)，其工程性質(zhì)十分復(fù)雜，是20世紀(jì)90年代以來國際學(xué)術(shù)界關(guān)注的熱點(diǎn)之一。在一系列的工程問題中，涉及有效應(yīng)力、變形、水運(yùn)動(dòng)、堤壩滲流變形、油氣開采、煤層內(nèi)瓦斯?jié)B流、地基的蒸發(fā)固結(jié)和降雨入滲的滑坡等問題，這些問題一般都必須考慮水、氣兩相流體流動(dòng)和固相變形之間的相互作用。
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