扩展有限元法在岩石断裂力学中的应用.pdf

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1、JournalofEngineeringGeology工程地质学报1004-9665/2015/23(3)047708DOI:10.13544/j.cnki.jeg.2015.03.015扩展有限元法在岩石断裂力学中的应用①①②①①王洪建刘大安黎立云赵子江石晓闪(①中国科学院地质与地球物理研究所,中国科学院页岩气与地质工程重点实验室北京100029)(②中国矿业大学力学与建筑工程学院北京100083)摘要岩石裂纹的扩展是一个经典的不连续问题,常规有限元方法难以实现裂纹扩展过程的仿真模拟。扩展有限元法(XFEM)实现了计算网格与不连续

2、面相互独立,因此模拟移动的不连续面时无需对网格进行重新剖分。本文介绍了XFEM基本原理和岩石断裂力学常用判据,尝试对岩石类材料单缝Ⅰ型三点弯曲、单缝剪切和双缝平板实验进行模拟。分析结果表明:扩展有限元模拟岩石类材料断裂问题不受网格划分限制,裂纹以实际应力场分布随机扩展;直观地给出岩样的微裂纹产生、演化,直至完全破坏的全过程,并与实验结果吻合。该方法能够应用到岩石断裂力学方面的研究,模拟岩石类材料的宏细观破坏过程,为解决复杂问题提供了方便的途径。关键词岩石断裂力学扩展有限元裂纹扩展单元划分中图分类号:TU45文献标识码:AAPPLICATI

3、ONOFEXTENDFINITEELEMENTMETHODTOROCKFRACTUREMECHANICS①①②①①WANGHongjianLIUDa′anLILiyunZHAOZijiangSHIXiaoshan(①KeyLaboratoryofShaleGasandGeoengineering,InstituteofGeologyandGeophysics,ChineseAcademyofSciences,Beijing100029)(②SchoolofMechanicsandCivilEngineering,ChinaUniversi

4、tyofMining&Technology,Beijing100083)AbstractRockcrackpropagationcannotbesimulatedwithconventionalfiniteelementmethodbecauseitisaclassicdiscontinuityproblem.Extendedfiniteelementmethod(XFEM)canimplementthemutualindependenceofcomputationalgridanddiscontinuity.Sothereisnonee

5、dtoremeshthegridmodelformovingdiscontinuitysimulation.ThispaperintroducesthebasicprinciplesofXFEManduniversalcriterionforrockfracturemechanics.ItutilizesXFEMtosimulateImodeandIImodefractureinthreepointbendingtestaswellasthedoublecrackshearfracturetest.Alltheobtainedres

6、ultsindicatethatusingXFEMtosimulaterockfracturecannotberestrainedbymeshgenerationandthecrackspropagaterandomlyaccordingtotheactualstressdistribution.Thewholeprocessofmicrocrackgenerationandevolutionuntilthefinaltotaldestructionofrockcanbedirectlyobserved,whichhave书收稿日期:2

7、014-05-19;收到修改稿日期:2014-10-28.基金项目:国家自然科学基金项目(41172270),战略性先导科技专项(B类)(XDB10050200)和国家重点基础研究发展计划(2010CB226802)资助.第一作者简介:王洪建(1986-),男,博士生,主要从事工程地质与岩石断裂力学方面学习研究.Email:wanghongjian@mail.iggcas.ac.cn通讯作者简介:刘大安(1959-),男,研究员,博士生导师,主要从事工程地质力学、岩体断裂力学与页岩气勘探研究工作.Email:daliu@mail.iggc

8、as.ac.cn478JournalofEngineeringGeology工程地质学报2015greatagreementwithlaboratorytestresults.Thismeth

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