一种基于粗粒化粘结模型的大尺度岩石模拟方法及系统与流程

1.本发明涉及岩土工程领域，具体为一种基于粗粒化粘结模型的大尺度岩石模拟方法及系统。


背景技术：

2.本部分的陈述仅仅是提供了与本发明相关的背景技术信息，不必然构成在先技术。
3.岩土领域的工程建设及工业生产总是伴随着岩石的大变形破坏过程，岩石的大变形破坏过程是大量岩石颗粒的运动过程，为了揭示岩石变形破坏的演化机理通常依赖模拟实验进行，而传统的实验室尺度模拟已不足以满足人们对工程尺度问题的演化机理揭示的需求，工程尺度的大变形破坏过程的模拟伴随着的大量小粒径颗粒的模拟计算，而受限于现有算法和计算机硬件水平，利用传统的离散单元法难以进行大粒径颗粒模型参数标定，且小粒径颗粒模型颗粒数量巨大难以高效计算，从而导致精确的含粘结颗粒离散元模拟目前只适用于室内试验尺度而无法满足实际工程需求。
4.离散单元法适用于毫米尺度的颗粒运动与颗粒相互作用的模拟，因而在进行工程尺度的离散元数值模拟时，由于资源耗费和计算能力的限制，数值模型难以对真实的岩石物理模型进行原尺度还原。
5.而针对上述问题，现有的一些研究提出利用高性能计算机和并行计算的方式来解决。
6.例如，基于图形处理单元(gpu)的并行计算。虽然目前gpu已经可以模拟百万乃至千万个岩石颗粒，但是很多岩石颗粒多相流系统中的岩石颗粒粒径很小(1～100微米)，这使得这些系统里面的颗粒数量在亿级或者万亿级，gpu还需要很长时间的发展才能模拟万亿级的颗粒数量，所以目前仅仅靠gpu技术还不能很好地解决工程尺度计算带来的超高的计算量的问题。


技术实现要素：

7.为了解决上述背景技术中存在的技术问题，本发明提供一种基于粗粒化粘结模型的大尺度岩石模拟方法及系统，构建了粗粒化颗粒粘结模型，利用粗粒化颗粒粘结模型在岩石颗粒模拟计算中利用大直径的粗颗粒代替小粒径的颗粒团进行计算，减小了岩石模拟计算中的颗粒数量，实现了对大规模岩石变形问题的高效模拟计算。
8.为了实现上述目的，本发明采用如下技术方案：
9.本发明的第一个方面提供一种基于粗粒化粘结模型的大尺度岩石模拟方法，包括：
10.获取目标岩石的力学性质信息；
11.基于目标岩石的力学性质信息建立标准尺寸的单轴压缩圆柱模型及巴西圆盘颗粒模型，获得室内试验尺度下模拟目标岩石的细观参数，利用细观参数校正粗粒化颗粒粘
结模型；
12.基于校正后的粗粒化颗粒粘结模型，使岩石的初始模型和缩放后模型的颗粒抗拉强度相等，利用初始模型的颗粒粒径，获得岩石模型缩放后的颗粒粒径；
13.利用岩石模型缩放后的颗粒粒径完成模拟。
14.目标岩石的力学性质信息包括，抗压强度、抗拉强度、弹性模量、泊松比和内摩擦角。
15.利用细观参数校正粗粒化颗粒粘结模型的过程包括：
16.保持巴西圆盘颗粒模型尺寸和细观参数不变，改变巴西圆盘颗粒模型中的颗粒粒径，获得另一粒径对应下的抗拉强度；
17.基于单轴压缩圆柱模型和巴西圆盘颗粒模型中的颗粒粒径、模型尺寸和细观参数，利用已构建的粗粒化颗粒粘结模型，保持两粒径对应下的抗拉强度相等，获得校准系数。
18.基于校正后的粗粒化颗粒粘结模型获得缩放后岩石模型的颗粒粒径的过程包括：
19.获取岩石试样的i型断裂韧性与颗粒粒径，利用随岩石颗粒不规则性、强度异质性和粘结延展性增加的无量纲因子，和弯矩减弱作用的无量纲因子，获得岩石试样的i型断裂韧性，岩石颗粒粘结键的极限抗拉强度与岩石试样颗粒粒径的关系式；
20.利用大直径的粗颗粒代替小粒径的颗粒团，使岩石初始模型和缩放后的岩石模型抗拉强度相等，利用岩石初始模型的颗粒粒径，获得缩放后岩石模型的颗粒粒径。
21.本发明的第二个方面提供实现上述方法的系统，包括：
22.岩石参数获取模块，被配置为：获取目标岩石的力学性质信息；
23.校正模块，被配置为：基于目标岩石的力学性质信息建立标准尺寸的单轴压缩圆柱模型及巴西圆盘颗粒模型，获得室内试验尺度下模拟目标岩石的细观参数，利用细观参数获得校准系数完成粗粒化颗粒粘结模型校正；
24.模型缩放模块，被配置为：基于校正后的粗粒化颗粒粘结模型，使岩石的初始模型和缩放后模型的颗粒抗拉强度相等，利用初始模型的颗粒粒径，获得岩石模型缩放后的颗粒粒径；
25.模拟计算模块，被配置为：利用岩石模型缩放后的颗粒粒径完成模拟。
26.与现有技术相比，以上一个或多个技术方案存在以下有益效果：
27.1、解决了针对工程尺度下岩石变形破坏进行岩石模拟计算过程中，由于岩石颗粒数量巨大导致的计算量难以为当前计算机硬件水平所负担的难点。通过应用粗粒化颗粒粘结模型，在模拟计算中利用大直径的粗颗粒代替小粒径的颗粒团进行计算，减小了岩石模拟计算中的颗粒数量，实现了对大规模岩石变形问题的高效模拟计算。
28.2、解决了模拟大规模岩石时抗拉强度难以准确定量模拟的问题。基于断裂力学和模拟经验，给出了粗粒化颗粒粘结模型的构建过程，使得在大规模岩石模拟中可以利用少量的大直径的粗颗粒代替大量的小粒径颗粒团进行模拟计算，从而减少了计算颗粒量，实现大规模岩石行为的定量高效模拟。
附图说明
29.构成本发明的一部分的说明书附图用来提供对本发明的进一步理解，本发明的示
意性实施例及其说明用于解释本发明，并不构成对本发明的不当限定。
30.图1是本发明一个或多个实施例提供的粗粒化计算流程图；
31.图2是本发明一个或多个实施例提供的粗粒化原理示意图；
32.图3是本发明一个或多个实施例提供的巴西圆盘试样图；
33.图4是本发明一个或多个实施例提供的应用粗粒化颗粒粘结模型前后的抗拉强度结果对比图。
具体实施方式
34.下面结合附图与实施例对本发明作进一步说明。
35.应该指出，以下详细说明都是示例性的，旨在对本发明提供进一步的说明。除非另有指明，本文使用的所有技术和科学术语具有与本发明所属技术领域的普通技术人员通常理解的相同含义。
36.需要注意的是，这里所使用的术语仅是为了描述具体实施方式，而非意图限制根据本发明的示例性实施方式。如在这里所使用的，除非上下文另外明确指出，否则单数形式也意图包括复数形式，此外，还应当理解的是，当在本说明书中使用术语“包含”和/或“包括”时，其指明存在特征、步骤、操作、器件、组件和/或它们的组合。
37.正如背景技术中所描述的，针对岩石大变形破坏过程通过岩石颗粒的模拟来揭示其演化机理，在模拟岩石颗粒的过程中由于工程尺度的巨大计算量，使得已有的一些方法都难以应对。
38.例如使用放大原理(例如雷诺数和斯托克斯数相似)，用一个很小的模型来近似地表征大系统的运动行为。或基于相似原理和量纲分析手段建立的离散单元模型的理论框架、缩放法则和尺度定律，使得颗粒缩放后使的离散元素模型的精确度得以控制。但这些相似准则一般都只是在所研究系统的局部区域(例如入口)满足，而不能实现大系统和小系统在任意空间和时间上的完全相似，同样无法满足工程尺度下岩石变形破坏过程中岩石颗粒的模拟。
39.离散单元法(discrete element method，dem)是把离散体系统看做有限个离散单元(颗粒或块体)的集合，通过单元间的相互作用和牛顿第二定律来显示迭代来模拟离散群体的行为，因而基于此方法模拟大规模岩石力学问题时涉及dem计算量大的问题。
40.dem计算量大的问题可以用新的数学模型和数值算法来克服，这些方法可以被统一认为是一种粗粒化方法(coarse
‑
graining，cg)。粗粒化方法的思路就是抓住主要的大尺度的物理现象，而忽略或者平均化一些小尺度的相对次要的物理现象。该方法已经被成功地用来减小分子动力学(molecule dynamics，md)的计算量。
41.例如，3265个粗粒化颗粒就可以代表1千万个原子从而有效地模拟生物薄膜的弯曲。相比粗暴地忽略物理现实而直接采用大颗粒代替小颗粒的做法，粗粒化理论为大尺度工程问题的模拟指出了一条可行的方法。
42.国内外学者在离散元的粗粒化理论方面开展了众多研究。中科院过程所李静海院士团队提出的能量最小多尺度模型(emms)方法就是一种粗粒化思路，该思路要求当颗粒的恢复系数分别为0.9和0.5时，粗粒化比例值需要分别小于5.26和1.33，所以该思路可能不能用于工业级的大型系统；东京大学的sakai教授提出的粗粒化思路为假定粗颗粒碰撞时，
其所代表的真实颗粒均发生相互碰撞，该方法保证粗颗粒间的碰撞时间等于真实颗粒之间的碰撞时间，缺点是需要比较小的时间步长来保持计算的稳定性，这样在缩放比很大的情况下，会显著增加计算量；山东大学褚开维教授提出的基于冲量定理的粗粒化思路中，将颗粒的动量变化基于受力以及力的作用时间，可以用于粗粒化比例值比较大的情况；其他的还有基于颗粒刚度和试验结果的粗粒化思路和基于能量密度守恒和无量纲因子准数分析的粗粒化思路。
43.以上粗粒化理论主要应用在化工等领域，大部分模型没有考虑岩石颗粒间在发生变形破坏过程中的强粘结作用，为了实现工程尺度大变形破坏过程的模拟，解决其计算量大的问题，以下实施例给出了粗粒化颗粒粘结模型的推导建立过程，利用粗粒化颗粒粘结模型在岩石颗粒模拟计算中利用大直径的粗颗粒代替小粒径的颗粒团进行计算，减小了岩石模拟计算中的颗粒数量，实现了对大规模岩石变形问题的高效模拟计算。
44.实施例一：
45.如图1
‑
4所示，一种基于粗粒化粘结模型的大尺度岩石模拟方法，包括以下步骤：
46.获取目标岩石的力学性质信息；
47.基于目标岩石的力学性质信息建立标准尺寸的单轴压缩圆柱模型及巴西圆盘颗粒模型，获得室内试验尺度下模拟目标岩石的细观参数，利用细观参数获得校准系数完成粗粒化颗粒粘结模型校正；
48.基于校正后的粗粒化颗粒粘结模型，使岩石初始模型和缩放后的岩石模型抗拉强度相等，利用岩石初始模型的颗粒粒径，获得缩放后岩石模型的颗粒粒径；
49.利用缩放后岩石模型的颗粒粒径完成模拟。
50.可以通过工程地质调研获取地质体取样从而获取目标岩石的力学信息，从而完成校正过程；同时可以通过工程地质调研获取地质构造信息，利用solidworks软件建立地质构造的几何模型，再基于离散单元法(discrete element method，dem)进行颗粒生成填充，获得离散颗粒地质体的模型，将地质构造以一定数量的岩石颗粒形式来体现；而岩石变形破坏过程的模拟，是对每一个岩石颗粒进行运动和受力的分析，这会占用非常大的计算资源，而本实施例中给出的粗粒化颗粒粘结模型，将数量庞大的岩石颗粒中，利用大直径的粗颗粒代替小粒径的颗粒团进行计算，减小了岩石模拟计算中的颗粒数量，实现了对大规模岩石变形问题的高效模拟计算。
51.如图2所示，如果采用真实颗粒模拟岩石的变形破坏过程，可以获得贴近真实情况的岩石颗粒运动受力过程，则会占用非常大的计算资源，如果将数个小粒径的颗粒团视为一个大直径的粗颗粒，例如图2中，模型缩放后颗粒粒径r
i
与初始模型颗粒粒径r0的比为5或10时，则会使岩石破坏过程模拟的计算量下降。
52.具体过程如下：
53.岩石模拟的粗粒化计算方法，包括以下步骤：
54.步骤1：针对某一具体的岩石工程，在现场对岩石取芯后开展单轴压缩、巴西劈裂及三轴压缩等基础力学试验，测试并获取目标岩石的物理力学性质(包括但不限于抗压强度、抗拉强度、弹性模量、泊松比、内摩擦角等)。
55.步骤2：利用dem模型构建方法建立标准尺寸大小的单轴压缩圆柱及巴西圆盘颗粒模型(其中颗粒尺寸需接近于岩石颗粒尺寸)，利用试错法进行参数标定，得到室内试验尺
度可准确模拟目标岩石的细观参数；
56.细观参数具体包括两方面：
57.颗粒方面：弹性模量、泊松比、静摩擦系数、动摩擦系数和碰撞恢复系数；
58.颗粒间粘结参数：弹性模量、法向
‑
切向刚度比、法向极限强度、切向极限强度和内摩擦角。
59.步骤3：保持步骤2中的巴西圆盘模型尺寸和细观参数不变，仅改变巴西模型中所用的颗粒粒径，得到另一粒径对应下的抗拉强度。
60.步骤4：将步骤2和步骤3中所使用的颗粒粒径、模型尺寸和细观参数带入粗粒化计算公式(1
‑
8)中，得到针对本实施例的校准系数λ。
61.步骤5：在应用已建立的颗粒粘结模型时，可任意改变模型尺寸及颗粒粒径，仅需将对应的粗粒化前后的控制参数输入粗粒化颗粒粘结模型，进行运算即可。
62.其中，控制参数为：
63.应用粗粒化前的真实粒径大小；
64.应用粗粒化后的粗颗粒粒径大小；
65.应用粗粒化前的特征长度大小；
66.应用粗粒化后的特征长度大小；
67.校准系数λ。
68.粗粒化计算方法的实质是用大颗粒代替了小颗粒团来计算，从而减少颗粒数量，对大颗粒组成的模拟系统使用粗粒化颗粒粘结模型，可以保证抗拉强度这些结果保证和真实一致。
69.粗粒化颗粒粘结模型的推导建立过程，包括以下步骤：
70.步骤1：根据物理试验所提到不同粒径下的巴西劈裂试验结果，可以发现在保持模型尺寸和细观参数不变的情况下，试件的抗拉强度出现了显著得升高。根据断裂力学的知识可知，其主要原因是试样的i型断裂韧性k
ic
与颗粒粒径r相关，其关系如公式(1
‑
1)。
[0071][0072]
其中，σ
t
′
为材料的断裂强度。
[0073]
步骤2：进一步地，可推导得到使用颗粒粘结模型时i型断裂韧性k
ic
与颗粒粒径r的关系如下式：
[0074][0075]
式中，其中α≥1是随岩石颗粒的不规则性、强度异质性和粘结延展性增加的无量纲因子，而β<1是表示弯矩减弱作用的无量纲因子。
[0076]
步骤3：由已有的文献可知：
[0077][0078]
其中，d为巴西圆盘的特征长度，σ
t
为材料的抗拉强度。
[0079]
步骤4：由公式(1
‑
2)可以推得：
[0080]
[0081]
式中，σ
max
为粘结键的极限抗拉强度。
[0082]
步骤5：联合公式(1
‑
1)和(1
‑
4)，可得:
[0083][0084]
步骤6：通过上述关系，可知σ
t
和σ
max
呈正相关关系，如有两个模型(初始模型直径d0及颗粒粒径r0，缩放后模型直径d
i
及颗粒粒径r
i
，初始模型：由真实粒径大小的小颗粒组成的模型；缩放后的模型：由粗粒化后的大颗粒组成的模型)其抗拉强度关系可以假设如下：
[0085][0086][0087]
如果想保持两个模型的抗拉强度相等，即σ
t,0
＝σ
t,i
，则需要满足：
[0088][0089]
其中，a0和b0为初始系数，σ
t，0
为初始抗拉强度，σ
t,i
为颗粒粒径取r
i
时的抗拉强度，a
i
和b
i
为颗粒粒径取r
i
时的系数；
[0090]
步骤7：根据模拟经验，经验系数φ可以取如下形式；
[0091][0092]
式中λ为校准系数，在模型使用不同的细观参数时，其数值不同。因此，针对不同的岩石(即不同的细观参数)，需要对其进行校准，将任意一组非标准值的模拟结果和细观参数带入公式(1
‑
8)进行调整比对即可获得其具体数值。
[0093]
上述过程实现了同一个模型尺寸下，利用大颗粒代替小颗粒团进行岩石破坏过程的模拟，且能得到准确的抗拉强度值。
[0094]
本实施例中，利用粗粒化颗粒粘结模型解决岩石巴西劈裂试验中抗拉强度随颗粒粒径增大而增大的问题，以此验证所建立的粗粒化颗粒粘结模型的准确性。
[0095]
本实施例中，巴西圆盘的直径始终保持不变，即d0＝d
i
，因此公式(1
‑
8)和公式(1
‑
9)可以简化为：
[0096][0097]
其中，σ
max,std
为标准(真实)的抗拉强度值。
[0098]
在本实施例中，巴西圆盘的尺寸直径为50mm、厚度为25mm。设置颗粒粒径分布服从均匀分布，平均粒径为0.3mm，最小颗粒粒径为0.2256m，接触半径设置为1.25r。颗粒的弹性模量27.5gpa，接触摩擦系数为0.5。颗粒粘结模型中，粘结键的法向刚度为6.6
×
106n/m，切向刚度为2.64
×
106n/m，粘结键法向强度为7.1mpa，粘聚力为89mpa，粘结键半径系数为1。
[0099]
为了获得校准系数λ的具体数值，采用颗粒粒径r
i
为1mm的模型作为标定对象。具
体标定校准过程如下：
[0100]
(1)由上文可知，若颗粒粒径为1mm的模型和颗粒粒径为0.3mm的标准模型采用相同的细观参数，前者所得抗拉强度大于真实值。因此，调节颗粒粒径为1mm的模型的σ
max
值，并保持其他细观参数值不变，使得抗拉强度模拟结果与真实值一致，此时细观参数中的σ
max
值即为在粒径为1mm情况下公式中的σ
max,new
；
[0101]
(2)将颗粒粒径为0.3mm的标准模型中所使用的σ
max,std
和过程(1)所获得的σ
max,new
带入公式(1
‑
10)，即可得到针对本实施例的校准系数λ。
[0102]
经模拟校对，在本实施例中的校准系数λ为700，因此公式(1
‑
10)可以具体化为；
[0103][0104]
利用以上校对参数及细观参数，开展不同粒径情况的巴西劈裂模拟，可以得到应用粗粒化模型前后的对比效果如图4，可以发现抗拉强度模拟结果由未应用粗粒化模型时的随粒径逐渐增大变为始终在标准值附近波动。
[0105]
上述方法解决了针对工程尺度下岩石变形破坏进行岩石模拟计算过程中，由于岩石颗粒数量(计算单元数量)巨大导致的计算量难以为当前计算机硬件水平所负担的难点。通过应用粗粒化颗粒粘结模型，在模拟计算中利用大直径的粗颗粒代替小粒径的颗粒团进行计算，减小了岩石模拟计算中的颗粒数量，实现了对大规模岩石变形问题的高效模拟计算。
[0106]
有效解决了模拟大规模岩石时抗拉强度难以准确定量模拟的问题。基于断裂力学和模拟经验，给出了粗粒化颗粒粘结模型计算公式的建立推导过程，使得在大规模岩石模拟中可以利用少量的大直径的粗颗粒代替大量的小粒径颗粒团进行模拟计算，从而减少了计算颗粒量，实现大规模岩石行为的定量高效模拟，对提高岩石模拟计算效率具有重要意义。
[0107]
实施例二：
[0108]
本实施例提供实现上述方法的系统，包括：
[0109]
岩石参数获取模块，被配置为：获取目标岩石的力学性质信息；
[0110]
校正模块，被配置为：基于目标岩石的力学性质信息建立标准尺寸的单轴压缩圆柱模型及巴西圆盘颗粒模型，获得室内试验尺度下模拟目标岩石的细观参数，利用细观参数获得校准系数完成粗粒化颗粒粘结模型校正；
[0111]
模型缩放模块，被配置为：基于校正后的粗粒化颗粒粘结模型，使初始岩石颗粒模型和缩放后的岩石颗粒模型抗拉强度相等，利用初始岩石颗粒模型的颗粒粒径，获得缩放后岩石颗粒模型的颗粒粒径；
[0112]
模拟计算模块，被配置为：利用缩放后岩石颗粒模型的颗粒粒径完成岩石模拟。
[0113]
岩石参数获取模块获取的信息包括，抗压强度、抗拉强度、弹性模量、泊松比和内摩擦角。
[0114]
解决了针对工程尺度下岩石变形破坏进行岩石模拟计算过程中，由于岩石颗粒数量巨大导致的计算量难以为当前计算机硬件水平所负担的难点。通过应用粗粒化颗粒粘结模型，在模拟计算中利用大直径的粗颗粒代替小粒径的颗粒团进行计算，减小了岩石模拟计算中的颗粒数量，实现了对大规模岩石变形问题的高效模拟计算。
[0115]
解决了模拟大规模岩石时抗拉强度难以准确定量模拟的问题。基于断裂力学和模拟经验，给出了粗粒化颗粒粘结模型的构建过程，使得在大规模岩石模拟中可以利用少量的大直径的粗颗粒代替大量的小粒径颗粒团进行模拟计算，从而减少了计算颗粒量，实现大规模岩石行为的定量高效模拟。
[0116]
以上所述仅为本发明的优选实施例而已，并不用于限制本发明，对于本领域的技术人员来说，本发明可以有各种更改和变化。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。