CN108804787B - 基于批量插入内聚力单元模拟岩桥贯通的方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于批量插入内聚力单元模拟岩桥贯通的方法，建立包含岩桥的岩体模型并在有限元软件Abaqus中装配（Assembly）完毕后，利用GUI界面插件在岩桥可能的贯通区域批量插入内聚力单元，同时导入自编的损伤模型实现岩桥贯通的有限元仿真计算。本发明利用Abaqus—Python语言编写的GUI界面插件，可以直接在Abaqus软件里进行界面操作批量插入内聚力单元，该插件的运行速度还算比较快，且与Abaqus2017完全兼容，操作方便，易于实现；通过自编的损伤模型，符合实验结果，从而显著提高岩桥贯通的路径精度。

Description

基于批量插入内聚力单元模拟岩桥贯通的方法

技术领域

本发明属于模拟天然岩体中存在的岩桥贯通的有限元领域，具体是一种基于有限元软件Abaqus平台的批量插入内聚力单元的GUI界面插件的操作方法，并以此为基础，根据Abaqus提供的USDFLD子程序接口，导入用Fortran语言自编的损伤模型，进而模拟岩桥贯通的方法。

背景技术

当前，内聚力单元是被广泛运用于弹塑性力学中断裂以及损伤失效的计算模型。内聚力模型避免了线弹性断裂力学中的裂纹尖端应力奇异性，计算开裂过程中应力以及断裂能，使其在模拟三维裂纹扩展以及复合材料的分层和脱粘中得到广泛的重视和运用。

目前，基于内聚力模型的内聚力单元已经嵌入到Abaqus商业有限元软件中，在Abaqus2016版CAE软件中增加了直接插入0厚度的内聚力单元的功能，这种插入0厚度的内聚力单元的方式可以模拟岩体的三维裂纹扩展以及复合材料的分层和脱粘等有限元仿真分析，但对于多个面-面批量插入多个内聚力单元的方式，由于其涉及到嵌入循环等问题而在现有的Abaqus2017版CAE软件中得到不实现。对在岩桥可能贯通的区域批量插入内聚力单元，现有的商业Abaqus软件模块尚无法做到。因此，提供显得尤为重要。

发明内容

本发明的目的在于提供一种GUI界面插件可批量插入内聚力单元并使用接近实际岩石的损伤模型建立岩桥贯通的方法，克服现有Abaqus软件中操作功能界面中的不足。

为解决上述技术问题，本发明的解决方案是：一种基于批量插入内聚力单元的模拟岩桥贯通方法，包括下述步骤：

一、在Abaqus-Part模块中建立所需要包含岩桥的岩体模型，并进行命名；在Abaqus-Property模块中分别为岩体和将要插入的内聚力单元建立两种材料属性；在Abaqus-Assembly模块中按照坐标位置将岩体和岩石块进行装配；在Abaqus-Mesh模块为岩体模型划分网格，并同时为岩石块设置一个集合名称；

二、打开基于Abaqus—Python语言编写的GUI界面插件，根据插件界面的提示，选中材料和所需插入的集合区域，形成带有内聚力单元岩体岩桥模型；

三、用Fortran语言根据附图7的三种裂纹尖端位移扩展模式编写的损伤模型：

四、使用带有内聚力单元含有岩桥的岩体模型，并同时导入上述三中的用Fortran语言自编的损伤模型实现岩桥贯通的有限元仿真计算。

本发明与现有技术相比，其显著优点为：(1)利用Abaqus—Python语言编写的GUI界面插件，可以直接在Abaqus软件里进行界面操作批量插入内聚力单元，该插件的运行速度比较快，且与Abaqus2017完全兼容，操作方便，易于实现。(2)通过自编的损伤模型，符合实验结果，从而显著提高岩桥贯通的路径精度。

附图说明

图1为本发明的基于批量插入内聚力单元的模拟岩桥贯通方法的流程图。

图2为自编的损伤模型的计算结果与实验的对比图。(a)实验结果(b)数值计算结果。

图3为Abaqus—Python语言编写的GUI界面插件示意图。

图4为本发明实施的岩体岩桥模型的内聚力单元示意图。

图5为本发明实施中带有内聚力单元的岩体岩桥模型不同时间步的仿真效果。(a)时间步0，(b)时间步0.5，(c)时间步1，(d)时间步1.5。

图6为图5块体索对应的位移和摩擦力随时间步变化曲线。

图7为裂纹尖端位移扩展的三种模式。(a)张开型，(b)剪切型，(c)撕开型。

具体实施方式

下面结合附图1-7对本发明的实施进行具体阐述。

一种基于批量插入内聚力单元的模拟岩桥贯通方法，包括下述步骤：

一、建立包含岩桥的岩体模型；

在Abaqus-Part模块中建立所需要包含岩桥的岩体模型，并进行命名；在Abaqus-Property模块中分别为岩体和将要插入的内聚力单元建立两种材料属性；在Abaqus-Assembly模块中按照坐标位置将岩体和岩石块进行装配；在Abaqus-Mesh模块为岩体模型划分网格，并同时为岩石块设置一个集合名称；

二、打开基于Abaqus—Python语言编写的GUI界面插件，根据插件界面的提示，选中材料和所需插入的集合区域，形成带有内聚力单元岩体岩桥模型；

(1)读取该岩体模型数据，将节点和数据储存到文件中，同时，区分出岩桥区域和非岩桥区域，岩桥区域需要批量插入内聚力单元；

(2)遍历岩桥区的所有单元，遍历每个单元上的所有节点，节点每出现一次记录一次，统计各节点在岩桥区域出现的次数；

(3)根据节点出现的次数进行分裂，产生新的节点，将新的节点分配给各单元，并在岩桥区域找到各单元之间的相邻的单元，记录下它们的公共面/边；

(4)在公共面/边处生成内聚力单元，并以字符的形式输出新的节点数据、单元数据和内聚力单元数据，在inp文件上为这些内聚力单元创建新的集合，并同时给新的集合赋予材料属性和截面属性。

三、建立三维岩体中三种裂纹尖端位移的亚临界裂纹扩展的损伤模型；

(1)定义岩桥初始长度：由于在现场观察到的岩石桥通常只占断裂面的百分之几(Frayssinesand Hantz,2009)，所以岩桥宽度等于节点到节点不连续长度的1％；

(2)从正在进行的Abaqus应力分析中获得不连续性的正应力和剪应力；

(3)根据亚临界裂纹位移尖端扩展的三种模式(张开型(模式I)，剪切型(模式II)和撕开型(模式III))，从应力、不连续长度和岩石桥宽度计算上述三种模式的应力强度因子；设a＜＜w，应力强度因子为：

式中：K_I，K_II和K_III分别为对应三种模式下的应力强度因子，σ_n和τ分别是正应力和剪应力，φ是节理摩擦角，w是初始不连续一半的长度，a为岩桥长度的一半；

(4)计算剪切型和撕开型混合模式载荷应变能释放率；释放速率G由应力强度因子计算得出：

式中：E是杨氏模量，v是泊松比；

(5)计算(3)中三种模式的岩石桥宽的潜在变化率：

张开型：

剪切型和撕开型：

式中：a'(t)是岩桥长度的变化率，K_Ic是张开型(模式I)的断裂韧度，G_c是临界应变能量释放率，A和n是次生裂缝参数；

(6)对比上述(5)中岩桥计算的变化率，取最大的一个；

(7)计算新的岩桥长度：

a(t₀+Δt)＝a(t₀)+Δt×a'(t₀)

式中：a是岩桥长度的一半，t₀是增量步的开始时间，Δt是增量步长；

(8)循环(5)，(6)和(7)的过程，直到岩桥长度达到零，然后标记Abaqus解锁元素。

四、使用带有内聚力单元含有岩桥的岩体模型，并同时导入导入用Fortran语言自编的损伤模型，实现岩桥贯通的有限元仿真计算。使用带有内聚力单元含有岩桥的岩体模型，并同时导入导入用Fortran语言自编的上述三中的损伤模型，实现岩桥贯通的有限元仿真计算。

本发明利用Abaqus—Python语言编写的GUI界面插件，可以直接在Abaqus软件里进行界面操作批量插入内聚力单元，该插件的运行速度还算比较快，像包含256000个单元的球体，生成内聚力单元只需要1分钟左右，且与Abaqus2017完全兼容，操作方便，易于实现。此外，通过自编的损伤模型，符合实验结果(附图2)，从而显著提高岩桥贯通的路径精度。

Claims (1)

1.一种基于批量插入内聚力单元模拟岩桥贯通的方法，其特征在于包含下述步骤：

一、建立包含岩桥的岩体模型；在Abaqus-Part模块中建立所需要包含岩桥的岩体模型，并进行命名；在Abaqus-Property模块中分别为岩体和将要插入的内聚力单元建立两种材料属性；在Abaqus-Assembly模块中按照坐标位置将岩体和岩石块进行装配；在Abaqus-Mesh模块中为岩体模型划分网格，并为岩石块设置一个集合名称；

二、打开基于Abaqus—Python语言编写的GUI界面插件，根据插件界面的提示，选中材料和所需插入的集合区域，形成带有内聚力单元的岩体岩桥模型；步骤二中所述GUI界面插件的具体实现如下：

(2.1)读取该岩体模型数据，将节点和数据储存到文件中，同时，区分出岩桥区域和非岩桥区域，岩桥区域批量插入内聚力单元；

(2.2)遍历岩桥区的所有单元，遍历每个单元上的所有节点，节点每出现一次记录一次，统计各节点在岩桥区域出现的次数；

(2.3)根据节点出现的次数进行分裂，产生新的节点，将新的节点分配给各单元，并在岩桥区域找到各单元之间的相邻的单元，记录下它们的公共面/边；

(2.4)在公共面/边处生成内聚力单元，并以字符的形式输出新的节点数据、单元数据和内聚力单元数据，在inp文件上为这些内聚力单元创建新的集合，并同时给新的集合赋予材料属性和截面属性；

三、根据Abaqus提供的USDFLD子程序接口，建立三维岩体中三种裂纹尖端位移的亚临界裂纹扩展的损伤模型；所述步骤三的实现过程为：

(3.1)定义岩桥初始长度；岩桥宽度等于节点到节点不连续长度的1％；

(3.2)从正在进行的Abaqus应力分析中获得不连续性的正应力和剪应力；

(3.3)根据亚临界裂纹位移尖端扩展的三种模式：模式I张开型，模式II剪切型和模式III撕开型，从应力、不连续长度和岩石桥宽度计算上述三种模式的应力强度因子；设a＜＜w，应力强度因子分别为：

式中：K_I，K_II和K_III分别为对应三种模式下的应力强度因子，σ_n和τ分别是正应力和剪应力，φ是节理摩擦角，w是初始不连续一半的长度，a为岩桥长度的一半；

(3.4)计算剪切型和撕开型混合模式载荷应变能释放率；释放速率G由应力强度因子计算得出：

式中：E是杨氏模量，v是泊松比；

(3.5)计算三种模式的岩石桥宽的潜在变化率：

张开型：

剪切型和撕开型：

式中：a'(t)是岩桥长度的变化率，K_Ic是模式I张开型的断裂韧度，G_c是临界应变能量释放率，A和n是次生裂缝参数；

(3.6)对比上述(3.5)中岩桥计算的变化率，取最大的一个；

(3.7)计算新的岩桥长度：

a(t₀+Δt)＝a(t₀)+Δt×a'(t₀)

式中：a是岩桥长度的一半，t₀是增量步的开始时间，Δt是增量步长；

(3.8)循环(3.5)、(3.6)和(3.7)，直到岩桥长度达到零，然后标记Abaqus解锁元素；

四、使用带有内聚力单元含有岩桥的岩体模型，并同时导入用Fortran语言编写的损伤模型，实现岩桥贯通的有限元仿真计算。

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