離散虛內鍵模型及其在巖石動態(tài)斷裂模擬中的應用.pdf

1、離散虛內鍵模型（DVIB）是一種新型格構模型（Lattice model）。與一般格構模型的區(qū)別在于DVIB是由虛內鍵元胞（Unit bond cell）組成。每個元胞由有限個虛內鍵和顆粒組成，而且每個元胞可以具有任意幾何形狀。元胞的“結點”力-位移關系直接由虛內鍵超彈勢函數導出，無需經過所謂的應力-應變本構關系，這使得DVIB可以直接模擬大位移、大變形動力斷裂問題而無需外部斷裂準則。本文還將巖石材料非均質性引入DVIB中，對不同加載速

2、率條件下的巖石動態(tài)裂紋擴展進行數值模擬。模擬結果表明：隨著加載速率的增大，動態(tài)裂紋模式逐漸發(fā)生偏轉，同時出現分叉現象。這與相應試驗結果相一致。巖石非均質性對動態(tài)裂紋擴展路徑有很大影響。當非均質性較弱時裂紋擴展路徑接近于均質材料，而當非均質性較強時，裂紋擴展路徑與均質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構在一定程度上會影響斷裂路徑。為了解決這一問題，本文發(fā)展了正六邊形元胞。正六邊形的幾何對稱性更好，能在

3、一定程度上減少網格依賴性。使用正六邊形元胞的另一個原因是巖石材料在微觀上包含很多多邊形顆粒，用正六邊形元胞來模擬每一個顆粒的行為是合適的。運用這種六邊形的DVIB模型，再現了受沖擊荷載三點彎曲梁不同位置初始缺口導致不同裂紋擴展模式、裂紋分岔等經典試驗中的現象。這些算例也表明了Discretized-VIB方法是一種有可用的、簡單的動態(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力狀態(tài)下

4、壓剪破壞的力學行為，這一點限制了它在巖土工程中的應用。為了解決這一問題，本文借助元胞的等效應力思想，在微觀層面上引入了Mohr-Coulomb準則，并且建立了微觀內摩擦角、粘結強度和對應宏觀常數之間的關系。數值分析表明，改進后的DVIB模型能夠很好地再現巖石材料三軸抗壓強度特征。
　　格構模型中另一個難以突破的問題是固定泊松比問題。對此，本文首先改進了Stillinger-Weber(SW)勢函數，將其適用范圍擴展到硅以外的材料，