《种模拟岩体裂纹扩展的三角单元网格开裂技术.》

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1、2015年第39卷中国石油大学学报(自然科学版)Vol.39No.3第3期JournalofChinaUniversityofPetroleumJun.2015文章编号:1673-5005(2015)03-0105-08doi:10.3969/j.issn.1673-5005.2015.03.014一种模拟岩体裂纹扩展的三角单元网格开裂技术1121常鑫,程远方,夏强平,韩修廷(1.中国石油大学石油工程学院,山东青岛266580;2.清华大学航空航天与工程力学系,北京100084)摘要:基于三角网格的几何特征,提出一种利用有限元方法模拟岩体裂纹扩展的三角单元网格开裂技术。该方法选取三角网

2、格进行单元离散,采用远场围线积分计算裂尖应力强度因子,由最大周向应力准则确定裂纹扩展方向,最后通过开裂单元的网格分裂或节点移动,实现裂纹扩展的数值模拟。以有限宽中心裂纹板、曲线翼型裂纹扩展和含孔洞多裂隙岩体的裂纹扩展为例进行模拟验证。结果表明:在该方法中,裂纹可以直接劈开一个单元,或沿单元边界扩展,因此裂纹能够不受初始网格的限制沿任意路径扩展;与现有的网格重构算法相比,该方法只须对裂尖局部单元进行网格开裂或节点移动,更加简便、高效,该方法还具有较好的适用性,能够准确模拟拉伸、压剪等复杂应力状态下的裂纹萌生和扩展。关键词:有限元法;三角网格开裂;裂纹扩展;数值模拟中图分类号:TU457文

3、献标志码:A引用格式:常鑫,程远方,夏强平,等.一种模拟岩体裂纹扩展的三角单元网格开裂技术[J].中国石油大学学报:自然科学版,2015,39(3):105-112.CHANGXin,CHENGYuanfang,XIAQiangping,etal.Atriangularmeshsplitmethodforsimulatingcrackpropagationinrockmatrix[J].JournalofChinaUniversityofPetroleum(EditionofNaturalScience),2015,39(3):105-112.Atriangularmeshsplitm

4、ethodforsimulatingcrackpropagationinrockmatrix1121CHANGXin,CHENGYuanfang,XIAQiangping,HANXiuting(1.SchoolofPetroleumEngineeringinChinaUniversityofPetroleum,Qingdao266580,China;2.DepartmentofEngineeringMechanicsinTsinghuaUniversity,Beijing100084,China)Abstract:Basedonthegeometricalcharacteristics

5、oftriangularmeshes,atriangularmeshsplitmethodwasproposedtosimu-latethepropagationofcracksinrockmatrix.Firstly,therockmatrixwithprimarycrackswasdividedbytriangularelements.Thenthestressintensityfactorswerecalculatedusingafar-fieldcontourintegral,andtheorientationofthecrackpropagationcanbedetermin

6、edviathemaximumcircumferentialstresscriterion.Finally,thenumericalsimulationofcrackpropagationwasrealizedbythemeshsplittingornodemovement.Theapplicabilityofthetriangularmeshsplitalgorithmwasverifiedincasestudies,includingthecrackpropagationinacentrallycrackedpanelwithafinitewidth,alongcurvedwing

7、sandinamulti-fracturedrockmatrixwithholes.Theresultsshowthatthecrackcansplitaunitelementorcanbeextendedalongthemeshboundary,thereforethecrackcanbeextendedalongarbitrarypathwithoutthelimitationoftheoriginalmesh.Comparedwithth