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正交各向异性岩体裂纹扩展的扩展有限元方法研究 总被引：1，自引：0，他引：1
石油开采和非常规天然气开采等领域经常遇到页岩、砂岩等沉积岩,这类岩石材料往往具有正交各向异性特征。采用扩展有限元方法研究了正交各向异性岩体裂纹扩展问题,并基于Matlab平台编写了数值计算程序Betaxfem2D。将由复变函数法得到的裂纹尖端渐进位移场作为裂尖位移增强函数,用相互作用积分法计算混合模式应力强度因子,采用修改后的最大周向拉应力扩展准则确定裂纹扩展方向。与传统有限元方法的对比表明,扩展有限元方法达到相同计算精度需要的自由度少,节省计算机时。分别采用扩展有限元程序和传统有限元程序模拟了岩石试件4点弯曲试验,二者所得结果一致。数值试验表明：随着正交材料坐标系与空间坐标系夹角α的增大,裂纹扩展方向角? 按照周期为? 的近似正弦函数的规律变化;保持剪切模量和泊松比不变时,正弦函数的值域随着弹性模量比值E1 /E2的减小而缩小,但相位基本保持不变;研究沉积岩断裂力学问题时,岩石的正交各向异性特征不可忽略。 相似文献
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模拟三维裂纹问题的扩展有限元法 总被引：4，自引：1，他引：3
扩展有限元法是一种在常规有限元框架内求解强和弱不连续问题的新型数值方法,其计算网格与不连续面相互独立,因此模拟移动不连续面时无需对网格进行重新剖分。给出了模拟三维裂纹问题的扩展有限元法。在常规有限元位移模式中,基于单位分解的思想加进一个阶跃函数和二维渐近裂尖位移场,反映裂纹处位移的不连续性。用两个水平集函数表示裂纹。采用线性互补法求解裂纹面非线性接触条件,不需要迭代,提高了计算效率。采用两点位移外推法计算裂纹前缘应力强度因子。给出了3个三维弹性静力问题算例,其结果显示了所提方法能获得高精度的应力强度因子,并能有效地处理裂纹面间的接触问题,同时表明扩展有限元结合线性互补法求解不连续问题具有较好的前景。 相似文献
3.
针对线弹性断裂力学问题,提出扩展径向点插值无网格法（X-RPIM）。该方法基于单位分解思想,在传统径向点插值无网格法的位移模式中加入扩展项来描述裂纹两侧的不连续位移场和裂尖奇异场。由于其形函数具有Kronecker ? 函数性质,易于施加本质边界条件。详细描述了X-RPIM不连续位移模式的建立,支配方程的离散形式以及J积分计算混合模式裂纹的应力强度因子的实现过程,讨论了不同积分区域对应力强度因子的影响。数值算例分析证明了该方法在求解断裂问题时的可行性和有效性,同时说明扩展径向点插值无网格法在模拟裂纹扩展问题时具有良好的前景。 相似文献
4.
断裂问题的扩展有限元法研究 总被引：3，自引：0，他引：3
扩展有限元（extended finite element method,XFEM）是近年来发展起来的、在常规有限元框架内求解不连续问题的有效数值计算方法,其基于单位分解的思想,在常规有限元位移模式中加入能够反映裂纹面不连续性的跳跃函数及裂尖渐进位移场函数,避免了采用常规有限元计算断裂问题时需要对裂纹尖端重新加密网格造成的不便。在推导扩展有限元算法的基础上,分析了应力强度因子的J积分计算方法及积分区域的选取。采用XFEM对I型裂纹进行了计算,有限元网格独立于裂纹面,无需在裂纹尖端加密网格;分析了积分区域、网格密度对应力强度因子计算精度的影响,指出了计算应力强度因子的合适参数,验证了此方法的可靠性和准确性。 相似文献
5.
扩展有限元法是一种在常规有限元框架内求解强和弱不连续问题的新型数值方法,其原理是在裂尖附近用一些奇异函数和沿裂纹面用阶跃函数加强传统有限元的基,以考虑跨过裂纹的位移场的不连续,该加强策略允许计算网格独立于不连续体几何。讨论了扩展有限元法的一些数值方面,主要包括：水平集法确定界面和加强节点与加强方式、裂尖加强范围的选择、J积分区域的确定和积分方案等。 相似文献
6.
裂纹扩展方向的确定对分析岩桥破坏机制和岩体抗剪强度参数具有重要意义。首先以断裂力学观点推导了复杂应力条件下裂纹尖端应力分布函数的表达式,以节理岩体尖端的扩展裂纹可分为张拉裂纹和剪切裂纹为前提,基于Griffith破坏判据,提出了张拉裂纹扩展方向(张裂角)的计算公式;基于Mohr-Coulomb判据,提出了剪裂纹扩展方向(剪裂角)的计算公式。通过新判据与试验和其他判据的结果对比表明,该判据能准确判断张拉裂纹扩展方向,而剪裂角的扩展方向有待进一步试验验证。分析表明:在单向拉应力作用下,张裂纹扩展方向均有偏向于最大主应力方向的趋势,张裂纹与最大主应力夹角小于15°;双向拉应力作用下,随着微裂纹倾角变大,张裂纹有远离最大主应力方向的趋势;单轴压缩作用下,张裂角随裂纹倾角的增加而减小,而两者的和为先减小后增加。 相似文献
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《岩土力学》2017,(11):3095-3105
关于动态断裂的全过程,包括动态起裂、扩展和止裂的报道在科学文献中受到日益增长的关注。研究岩石的动态扩展和动态止裂,用分离式霍普金森压杆径向冲击大直径(φ160 mm)的预裂人字形切槽巴西圆盘(pre-cracked chevron notched Brazilian disc——P-CCNBD)试样的试验,测定了大理岩的I型动态扩展韧度,而不仅是动态起裂韧度。确定的方法是试验―数值―解析法,而不是通常的准静态法,因为,大尺寸试样在动态试验中不满足应力平衡条件。裂尖起裂时刻和裂纹扩展速度采用应变片和裂纹扩展计监测;将有关试验数据,包括霍普金森压杆施加在试样上的的动态荷载输入有限元程序,对P-CCNBD进行三维动态数值模拟,再结合普适函数的半解析修正,得到动态应力强度因子的时间历程。结果表明,P-CCNBD大理岩试样的动态起裂韧度随加载率的增大而增大,试样的动态扩展韧度略低于动态起裂韧度,且扩展韧度随裂纹扩展速度的加快而增大。此外,对裂纹扩展速度振荡和扩展路径曲折现象进行了分析,讨论了P-CCNBD试样实现动态止裂的可能性。 相似文献
8.
《岩土力学》2017,(12):3462-3468
针对岩石、混凝土类准脆性材料的断裂过程模拟,发展了基于黏聚裂纹模型的虚节点扩展有限元法,并给出了该法的数值原理和控制方程。通过三点弯曲梁拉伸断裂、单边缺口试件Ⅰ-Ⅱ复合型断裂和Nooru-Mohammed试验多裂纹断裂等典型算例,并与已有解或试验结果对比,表明该法适合于模拟准脆性材料由张开型裂纹支配的断裂过程。相对于节点分离有限元法,该法无需预设开裂路径;相对于塑性损伤有限元法,该法能够可靠模拟多裂纹曲线扩展;相对于标准扩展有限元法,该法无需引入裂尖单元,避免了应力强度因子的计算;相对于高阶富集扩展有限元法,该法具有良好的适用性,便于得到收敛的计算结果。此外,基于单元的位移场描述使其更易于嵌入常用有限元软件,从而利用后者良好的非线性计算功能求解复杂问题。 相似文献
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提出了一种模拟裂纹扩展的水平集和无网格耦合方法。由于水平集和无网格方法都是建立在离散节点上,因而可以很自然地实现耦合。在该方法中,两个在裂尖处相互正交的水平集不仅用于描述裂纹的几何形态和裂尖位置,而且用于建立无网格伽辽金法（简称EFGM）不连续近似函数中的Heaviside跳跃项和裂尖处的Westergaard扩展项。当裂纹扩展时,则由水平集更新算法确定新裂纹的位置。水平集和无网格耦合法无需使用可视法、衍射法或透明法,克服了这些方法在裂尖处人为引入的不连续且能很好地再生 奇异场;而且节点影响域不受裂纹线切割的影响,在计算中往往使用较小的影响域,保持了整体刚度矩阵的带状、稀疏性;另外,水平集简化了扩展节点的选取和附加函数的建立,其更新过程无需求解演化方程,实现简单且易于编程。数值算例表明本文方法具有较高的计算精度,其模拟的裂纹扩展路径与试验结果吻合得很好,从而验证了本文方法的正确性和可行性。 相似文献
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含多裂纹沥青路面开裂机制及扩展分析 总被引：1，自引：1，他引：0
基于断裂力学基本理论,通过有限元数值模拟方法,研究了同时存在表面裂纹和反射裂纹的沥青路面在交通荷载作用下表面裂纹和反射裂纹开裂机制及扩展路径,深入讨论了路面材料和结构对裂纹扩展路径的影响,分析了表面裂纹的位置对反射裂纹扩展路径的影响,采用多裂纹小梁弯曲试验验证了多裂纹的扩展行为。结果表明：在交通荷载作用下,表面裂纹向着偏离载荷的方向扩展,且扩展路径几乎为直线,反射裂纹则沿着“Z”字形向上扩展;路面结构层模量和厚度的改变能够影响裂纹的扩展路径;反射裂纹总是向着存在表面裂纹的一侧扩展;小梁弯曲试验得到裂纹扩展行为与数值模拟结果一致。 相似文献
11.
逆断层控制构造裂缝发育的力学机制模拟 总被引：1，自引：1，他引：0
在探讨逆断层对构造裂缝控制作用的基础上, 应用Comsol有限元软件, 模拟不同水平作用力、不同岩性、不同断层倾角和距断层面远近等因素影响下断层及其周边区域的应力、应变情况, 并分析了不同控制因素下构造裂缝发育的规律。模拟结果表明, 构造裂缝的发育程度随施加的水平应力作用增大而线性增大; 岩石破裂前产生的应变量可用来描述岩石的脆性, 抗压强度对岩石破裂起主导作用, 而岩石的抗剪强度与岩石破裂发育有一定的相关性; 逆断层倾角存在一个临界角度, 使构造裂缝发育最为强烈; 逆断层控制裂缝发育, 距离断裂面越远裂缝发育程度越低, 并存在一个发育程度骤减的范围, 称为"断裂控制带", 该断裂控制带的形成和分布应该与断裂的性质、规模、断距及岩石力学参数等有关。 相似文献
12.
岩石破坏时的临界断裂特征,如过程区长度,裂缝口张开位移是运用断裂力学解决岩石断裂问题的关键所在。传统测量方法,如应变片、直线位移传感器无法获得岩石破坏时的全场变形,因此,也无法准确地获得上述断裂特征。数字图像相关法是一种光学的变形测量方法,其通过试样表面的数字图像采集及相关计算,能够获得岩石破裂过程各个阶段的高精度全场变形特征。利用该试验手段,对两类岩石,即相对较硬的大理岩和相对较软的黄砂岩开展了一系列半圆盘三点弯曲断裂试验并获得了岩石断裂时的临界变形场,对变形场进行分析,从而确定了两类岩石破坏时临界特征、过程区长度及裂缝口张开位移。结果表明,大理岩的断裂过程区长度明显小于黄砂岩的断裂过程区长度,峰值时黄砂岩COD的值均大于相同裂纹长度的大理岩,而较软岩的力学行为更容易受边界效应的影响。上述研究有助于进一步了解不同类型岩石的断裂发展过程并采用相应的方法来解决岩石破裂问题。 相似文献
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It is more difficult for a hot dry rock to form a fracture network system than shale due to its special lithology, physical and mechanical properties under high temperature. The essential characteristics, rock mechanics and in-situ stress characteristics of a hot rock mass have been systematically studied by means of laboratory tests and true tri-axial physical simulation. The fracture initiation and propagation characteristics under different geological and engineering conditions are physically simulated, and the main controlling factors for the formation of a complex fracture network are revealed. The technology of low displacement for enhancing thermal cracking, gel fluid for expanding fracture and variable displacement cyclic injection for increasing a fracture network has been applied in the field, and good results have been achieved. Micro-seismic monitoring results demonstrate that complex fractures were formed in the field test, and the stimulation volume for heat exchanging reaches more than 3 million cubic meters. The research results play an important role in the stimulation technology of an enhanced geothermal system (EGS) and realize a breakthrough for power generation. 相似文献
14.
Conclusions (1) Relations between permeability, and fracture geometry and loading can be established by means of fracture mechanics.(2) The mean crack opening displacement (MCOD) can be calculated by Equation 13.(3) MCOD is easily obtained without great computational efforts, even for relatively complicated cases, if fracture intensity factor is known.(4) The plasticity of fractures and multifracture sets are recommended for further study. 相似文献
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H. Y. Liu S. Q. Kou P.-A. Lindqvist C. A. Tang 《Rock Mechanics and Rock Engineering》2007,40(2):107-144
Summary A series of numerical tests including both rock mechanics and fracture mechanics tests are conducted by the rock and tool
(R–T2D) interaction code coupled with a heterogeneous masterial model to obtain the physical–mechanical properties and fracture
toughness, as well as to simulate the crack initiation and propagation, and the fracture progressive process. The simulated
results not only predict relatively accurate physical–mechanical parameters and fracture toughness, but also visually reproduce
the fracture progressive process compared with the experimental and theoretical results. The detailed stress distribution
and redistribution, crack nucleation and initiation, stable and unstable crack propagation, interaction and coalescence, and
corresponding load–displacement curves can be proposed as benchmarks for experimental study and theoretical research on crack
propagation. It is concluded that the heterogeneous material model is reasonable and the R–T2D code is stable, repeatable and a valuable numerical tool for research on the rock fracture process. 相似文献
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正断层的分段构造型式及其扩展演化机制的核心内容可以归结为正断层的中继构造模式。本文从正断层的断块变形、断裂扩展以及断裂力学特征等角度,总结了正断层中继构造的扩展演化机制。正断层的断块变形是指分段断层位移转换形成的中继斜坡,可分为内倾和外倾两种斜坡类型,位移曲线揭示了中继带变形的特征。正断层的断裂扩展有多种扩展方式,可分为断层内、断层间和断层系扩展,且可以形成不同型式的中继构造。正断层中继构造是在三维空间扩展的,将断层边缘的断裂力学性质和断层面的放射状扩展方向相结合,可完整描述中继构造的空间分布规律。正断层形成于伸展构造环境,是控制油气和金属矿产资源的重要构造型式,结合SEDEX型矿床同生断层和岩体侵位控制的正断层控矿研究实例,初步讨论了正断层中继构造扩展演化在SEDEX型矿床和正断层相关控矿断裂成矿构造研究中的作用。 相似文献
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针对构造裂缝产状演化规律难以准确定量表征的问题,通过确定研究区裂缝力学性质、岩石力学参数,在恢复古构造形态的基础上,对裂缝形成时期古应力场数值模拟后选择适用性的岩石破裂准则,预测裂缝形成时期的产状分布。提出了造缝期应力场预测古裂缝产状,后期构造活动改造裂缝产状的思路,即通过早期岩层、晚期岩层的三维空间变化规律,建立了不同构造活动时期对应的裂缝空间转换理论模型,利用推导的数学算法,定量分析裂缝的演化规律,进而提高了现今裂缝产状的预测精度。最后,以铜城断裂带东翼阜二段储层为例进行了构造裂缝演化规律定量描述工作,结合构造演化,将阜二段储层构造裂缝演化分为阜宁运动晚期裂缝形成发育、戴南运动期裂缝继承发展、三垛运动期裂缝差异分离3个阶段。 相似文献
18.
岩石力学参数对裂缝发育程度的影响 总被引：1，自引：1，他引：0
弹性模量(E)、泊松比(μ)及密度(ρ)是岩石的重要力学参数, 当其他条件一致时, 在一定程度上影响着裂缝的发育。以塔里木盆地某气田为研究区, 在造缝期古应力场分析的基础上, 利用储层裂缝数值模拟技术, 计算得到储层裂缝孔隙度; 再以裂缝孔隙度为指标, 分析岩石力学参数对裂缝发育程度的影响。研究结果表明, 裂缝孔隙度随弹性模量的增加而增大, 同等应力条件下, 弹性模量越大, 裂缝孔隙度越高, 破裂程度越大; 泊松比小于0.2时, 裂缝孔隙度随泊松比增加而逐渐下降; 泊松比超过0.2后, 裂缝孔隙度随泊松比增加而逐渐增大; 岩石密度对裂缝孔隙度的影响不大, 基本上可以忽略。 相似文献
19.
原状冻土非线性断裂韧度测试与修正 总被引：1，自引：0，他引：1
在以往原状冻土现场试验方法的基础上,针对原状冻土的非线性断裂力学特性进行了Ⅰ型和Ⅱ型断裂力学试验。在不同深度的冻胀量、冻深与时间变化规律下严格控制试样制作及试验时的温度,利用动态数据采集系统测出试样加力点处位移与力的关系曲线,并计算出相应的非线性参数。提出了利用非线性修正因子计算原状冻土断裂韧度的方法,并算出Ⅰ型、Ⅱ型直裂纹加卸载试样的非线性断裂韧度,将其与岩石断裂力学中的塑性修正因子方法的计算结果进行了对比,二者基本一致,说明该方法可以用来计算、修正原状冻土非线性断裂韧度,从而为冻土非线性理论的研究拓宽了思路。 相似文献
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A finite volume-based numerical modeling framework using a hierarchical fracture representation (HFR) has been developed to compute flow-induced shear failure. To accurately capture the mechanics near fracture manifolds, discontinuous basis functions are employed which ensure continuity of the displacement gradient across fractures. With these special basis functions, traction and compressive forces on the fracture segment can be calculated without any additional constraints, which is extremely useful for estimating the irreversible displacement along the fracture (slip) based on a constitutive friction law. The method is further extended to include slip-dependent hydraulic aperture change and grid convergent results are obtained. Further, the change in hydraulic aperture is modeled using an asymptotic representation which respects the experimentally observed behavior of pore volume dilation due to shear slip. The model allows the initial rapid increase in hydraulic aperture due to shear slip and asymptotically approaches a finite value after repeated shearing of a fracture segment. This aperture increase is the only feedback for mechanics into the fluid flow for a linear elastic mechanics problem. The same model is also extended to include poroelastic relations between flow and mechanics solver. The grid convergence result in the case of poroelastic flow-mechanics coupling for flow-induced shear failure is also obtained. This proves the robustness of the numerical and analytical modeling of fracture and friction in the extended finite volume method (XFVM) set-up. Finally, a grid convergent result for seismic moment magnitude for single fracture and fracture network with random initial hydraulic and friction properties is also obtained. The b-value, which represents the slope of seismic moment occurrence frequency decay vs seismic moment magnitude, which is approximately constant in a semi-logarithmic plot, is estimated. The numerical method leads to converged b-values for both single fracture and fracture network simulations, as grid and time resolutions are increased. For the resulting linear system, a sequential approach is used, that is, first, the flow and then the mechanics problems are solved. The new modeling framework is very useful to predict seismicity, permeability, and flow evolution in geological reservoirs. This is demonstrated with numerical simulations of enhancing a geothermal system. 相似文献