非均质弹脆塑性煤岩材料破坏的SPH程序实现及数值模拟研究

作     者：宋颜金 

作者单位：山东科技大学 

学位级别：硕士

导师姓名：程国强

授予年度：2011年

学科分类：08[工学] 080104[工学-工程力学] 0815[工学-水利工程] 0801[工学-力学（可授工学、理学学位）] 

主      题：SPH 边界条件 非均质弹脆塑性模型 岩石破坏 全应力应变曲线 声发射 

摘      要：岩石材料是一种典型的非均质材料,具有诸如弹性、脆性、塑性、粘性以及上述性质的组合形式等等,这构成了岩石材料的复杂性。在岩石力学计算方法发展较快的今天,引入新的计算方法来考察岩石的各种特性,具有较好的理论意义和应用价值。 本文首次引入了光滑粒子流体动力学(SPH)方法来计算非均质煤岩材料的受力变形规律,利用Fortran语言开发了SPH求解固体力学问题的程序,进行弹性材料加载数值试验及非均质弹脆塑性岩石力学数值试验。主要完成了以下内容： (1)利用SPH方法进行了静态压缩试验的稳定性和可靠性研究。论文研究了SPH方法求解静态压缩问题的收敛性,提出了程序收敛的步长公式及考察指标。通过与弹性解析解对比,SPH方法应用于静态加载问题的时候稳定性和可靠性较好;提出了加快SPH方法弹性阶段计算速度的方法,即在弹性阶段小变形情况下不重复进行粒子搜索,计算速度得到了显著提高,同时计算结果与不采用加快计算速度方法一样。 (2)进行了SPH框架下提高边界精度的设置方法的研究。改进的边界条件设置方法在固体力学静态加载数值试验中效果优于基本边界条件(Essential Boundary Conditions)和传统型边界条件(Traditional Boundary Conditions)。 (3)基于SPH方法的非均质弹脆塑性岩石类材料数值模型及其破坏的模拟研究。本文对屈服强度非均质满足Weibull分布的材料受压情况下的破坏规律进行了研究,展现了单向加载情况下岩石从细观破坏、塑性区沿近似45°方向进行扩展以及塑性区域的贯通等过程;平面应变问题的岩石试件破坏一般具有共轭剪切破坏形式、主破坏带形式及加载面“V型破坏形式等;试件破坏过程中,破坏带尖端应力具有奇异性,而其两边应力发生回弹;随着均质程度的降低,岩石试件峰值应力逐渐变小,声发射由主震型向群震型发展。