本發(fā)明屬于巖土工程，尤其涉及一種層狀巖體中裂隙擴展行為模型構(gòu)建方法、仿真方法及系統(tǒng)。

背景技術(shù)：

1、本部分的陳述僅僅是提供了與本發(fā)明相關的背景技術(shù)信息，不必然構(gòu)成在先技術(shù)。

2、在自然界及外部荷載作用下，層狀巖體常常出現(xiàn)裂紋，特別是在軟弱層巖體中，裂紋的形成和擴展表現(xiàn)出特定的空間分布規(guī)律，稱為間隔破裂現(xiàn)象。研究表明，間隔破裂現(xiàn)象不僅影響巖體的力學特性，還可能對巖土工程結(jié)構(gòu)的安全性和使用效能構(gòu)成威脅。因此，深入探討層狀巖體中裂紋的形成機制及其間隔分布特征，具有重要的學術(shù)和工程意義?，F(xiàn)有的研究方法主要依賴于經(jīng)典有限元等相關理論，但這些方法在處理復雜裂紋擴展時存在一定的局限性，例如裂隙擴展時的尖端奇異性等問題。因此，迫切需要一種新型的模型來更準確地模擬層狀巖體中的裂紋擴展行為。

3、近場動力學方法作為一種新興的數(shù)值模擬技術(shù)，采用位移積分方程建立相互作用關系，具有避免尖端奇異性、無需依賴外部破壞準則等優(yōu)點，逐漸受到研究者的關注。然而，目前在經(jīng)典鍵基近場動力學理論中由于邊界處物質(zhì)點鄰域不完整，直接使用微模量進行計算會產(chǎn)生較大偏差。在計算時并未考慮裂紋處損傷所導致的力學特性改變并且無法直接獲得應力場與應變場的分布。

技術(shù)實現(xiàn)思路

1、為了解決上述技術(shù)問題，本發(fā)明提供一種層狀巖體中裂隙擴展行為模型構(gòu)建方法、仿真方法及系統(tǒng)，其能夠建立更加準確的模擬二維層狀巖體間隔裂隙擴展的近場動力學本構(gòu)模型，以有效降低邊界處的計算誤差，并引入應變能密度理論，建立裂紋處介質(zhì)的力學參數(shù)與殘余應變能之間的關聯(lián)。

2、為了實現(xiàn)上述目的，本發(fā)明采用如下技術(shù)方案：

3、本發(fā)明的第一個方面提供了一種層狀巖體中裂隙擴展行為模型構(gòu)建方法。

4、在一個或多個實施例中，提供了一種層狀巖體中裂隙擴展行為模型構(gòu)建方法，包括：

5、基于近場動力學非局部微分算子，構(gòu)建層狀巖體近場動力學應力求解模型；

6、根據(jù)小變形假定推導近場動力學非局部力密度，結(jié)合近場動力學非局部微分算子，重新建立近場動力學非局部力密度的表達式，再引入基于應變能密度理論的軟化準則，構(gòu)建出層狀巖體應變能密度軟化模型；

7、基于不同巖層之間交界面的材料力學特性，構(gòu)建層狀巖體界面交接處材料力學參數(shù)計算模型；

8、將層狀巖體近場動力學應力求解模型、層狀巖體應變能密度軟化模型及層狀巖體界面交接處材料力學參數(shù)計算模型聯(lián)合，得到層狀巖體中裂隙擴展行為模型。

9、作為本發(fā)明的第一個方面的一種實施方式，近場動力學非局部微分算子的二維表達形式為：

10、

11、其中xt＝(x1,x2)，ξ1與ξ2為相對位置向量ξ的分量，r(n,x)為無窮小的二階余量；函數(shù)f(x)為已知量，f(x+ξ)-f(x)為變化量。

12、作為本發(fā)明的第一個方面的一種實施方式，根據(jù)小變形假定推導近場動力學非局部力密度的表達式為：

13、

14、其中f(η,ξ)為經(jīng)典近場動力學的力密度，y、y′分別為x、x′變形后的位置，η為形狀改變以后物質(zhì)點對應的相對位移，ω為一點處的微勢能，c為模型的微模量；s為鍵的伸長率；ξ為相對位置向量。

15、作為本發(fā)明的第一個方面的一種實施方式，重新的建立近場動力學非局部力密度的表達式為：

16、

17、其中δ為鄰域半徑，h為厚度，μ為剪切模量；g(ξ)為非局部函數(shù)矩陣；m(ξ)為邊界鄰域非完整區(qū)域；tr為矩陣的跡，i為單位矩陣。

18、作為本發(fā)明的第一個方面的一種實施方式，層狀巖體應變能密度軟化模型為：

19、當dwpd<dwrock(e)時，該階段處于初始彈性變化階段，巖石沒有發(fā)生損傷，有效彈性模量與初始模量值一致：en＝eini；

20、其中，dwpd、dwrock(e)、eini分別為每個物質(zhì)點x的近場動力學應變能密度、彈性變化臨界應變能密度、初始彈性模量；en為每個物質(zhì)點x在不同殘余應變能wr情況下所對應的有效彈性模量，n為根據(jù)應變能變化所對應不同彈性模量總共的分段數(shù)；

21、當dwrock(e)<dwpd<dwrock(s)時，其中dwrock(s)為應變軟化臨界應變能密度，該階段處于硬變軟化階段，有效彈性模量隨著逐漸發(fā)生的損傷而降低，按照公式計算；其中，有效彈性模量降低會導致微彈性模量降低，進而引起非局部作用力發(fā)生改變；n為當前所處的階段；

22、當dwrock(e)<dwpd時，此時為軟化殘余的階段，破裂發(fā)展結(jié)束，降低為殘余模量：en＝0.05eini。

23、作為本發(fā)明的第一個方面的一種實施方式，層狀巖體界面交接處材料力學參數(shù)計算模型采用不同巖層物質(zhì)點之間的平均屬性來表征；

24、當不同巖層之間存在交界面的情況時，取不同巖層物質(zhì)點之間的平均屬性來計算非局部作用力，將平均彈性模量加權(quán)表示為：

25、

26、其中ex與ex′為不同巖層彈性模量，dx與dx′分別為在物質(zhì)點連線方向距離巖層交界面的長度。

27、本發(fā)明的第二個方面提供了一種層狀巖體中裂隙擴展行為模型構(gòu)建系統(tǒng)。

28、在一個或多個實施例中，一種層狀巖體中裂隙擴展行為模型構(gòu)建系統(tǒng)，包括：

29、應力求解模型構(gòu)建模塊，其用于基于近場動力學非局部微分算子，構(gòu)建層狀巖體近場動力學應力求解模型；

30、應變能密度軟化模構(gòu)建模塊，其用于根據(jù)小變形假定推導近場動力學非局部力密度，結(jié)合近場動力學非局部微分算子，重新建立近場動力學非局部力密度的表達式，再引入基于應變能密度理論的軟化準則，構(gòu)建出層狀巖體應變能密度軟化模型；

31、交接處材料力學參數(shù)計算構(gòu)建模塊，其用于基于不同巖層之間交界面的材料力學特性，構(gòu)建層狀巖體界面交接處材料力學參數(shù)計算模型；

32、裂隙擴展行為模型構(gòu)建模塊，其用于將層狀巖體近場動力學應力求解模型、層狀巖體應變能密度軟化模型及層狀巖體界面交接處材料力學參數(shù)計算模型聯(lián)合，得到層狀巖體中裂隙擴展行為模型。

33、本發(fā)明的第三個方面提供了一種層狀巖體中裂隙擴展行為仿真方法。

34、在一個或多個實施例中，一種層狀巖體中裂隙擴展行為仿真方法，包括：

35、采用如上述所述的層狀巖體中裂隙擴展行為模型構(gòu)建方法來構(gòu)建層狀巖體中裂隙擴展行為模型；

36、基于所述層狀巖體中裂隙擴展行為模型及初始化參數(shù)，仿真模擬層狀巖體近場動力學應力參數(shù)、層狀巖體應變能密度軟化參數(shù)及層狀巖體界面交接處材料力學參數(shù)；

37、基于仿真模擬結(jié)果，將層狀巖體裂紋擴展過程進行可視化。

38、作為本發(fā)明的第三個方面的一種實施方式，所述層狀巖體近場動力學應力參數(shù)包括每個物質(zhì)點總的非局部力、加速度、位移及應力；

39、所述層狀巖體應變能密度軟化參數(shù)包括每個物質(zhì)點的近場動力學應變能密度、彈性變化臨界應變能密度及初始彈性模量這些軟化參數(shù)，根據(jù)每個點殘余應變能更新軟化參數(shù)；

40、所述層狀巖體界面交接處材料力學參數(shù)包括平均彈性模量，其用于計算非局部作用力；如果伸長率大于所設定的臨界破壞伸長率，則物質(zhì)點間的鍵非局部力消失。

41、本發(fā)明的第四個方面提供了一種層狀巖體中裂隙擴展行為仿真系統(tǒng)。

42、在一個或多個實施例中，一種層狀巖體中裂隙擴展行為仿真系統(tǒng)包括：

43、模型構(gòu)建模塊，其用于采用如上述所述的層狀巖體中裂隙擴展行為模型構(gòu)建方法來構(gòu)建層狀巖體中裂隙擴展行為模型；

44、行為仿真模型，其用于基于所述層狀巖體中裂隙擴展行為模型及初始化參數(shù)，仿真模擬層狀巖體近場動力學應力參數(shù)、層狀巖體應變能密度軟化參數(shù)及層狀巖體界面交接處材料力學參數(shù)；

45、結(jié)果可視化模塊，其用于基于仿真模擬結(jié)果，將層狀巖體裂紋擴展過程進行可視化。

46、與現(xiàn)有技術(shù)相比，本發(fā)明的有益效果是：

47、(1)本發(fā)明通過引入非局部微分算子，建立了近場動力學應力分析求解模型，解決了傳統(tǒng)模型中無法進行應力應變分析的難題，為鍵基近場動力學方法模擬變形破壞問題時提供直觀的分析手段。

48、(2)本發(fā)明重新推導了近場動力學非局部力密度的表達式，克服了傳統(tǒng)方法在處理邊界處物質(zhì)點鄰域不完整問題所帶來的計算誤差，從而提高了應力和應變場的準確性，使得模擬結(jié)果更接近實際情況，能夠更好地反映復雜層狀巖體的力學行為。

49、(3)本發(fā)明結(jié)合應變能密度理論，建立了裂紋處介質(zhì)的力學參數(shù)與殘余應變能之間的關聯(lián)，使得在模擬過程中能夠更準確地考慮裂紋擴展對材料力學特性的影響，進而提升模擬可靠性；而且實現(xiàn)了對層狀巖體之間的界面參數(shù)計算，取不同巖層物質(zhì)點之間的平均屬性來計算非局部作用力。