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岩石力学与工程问题的DDA和NMM模拟研究进展

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应用力学学报 2022年第4期39卷 657-672页

作者：甯尤军吕昕阳西南石油大学机电工程学院成都610500 西南石油大学工程安全评估与防护研究院成都610500

全面回顾了非连续变形分析(DDA)方法与数值流形方法(NMM)在岩石力学与工程问题模拟领域的研究与应用进展。首先论述了相关理论与算法的研究现状,包括DDA中旋转虚假体积膨胀及能量损耗问题的解决,开裂破坏模拟的子块体单元DDA方法和节点... 详细信息

全面回顾了非连续变形分析(DDA)方法与数值流形方法(NMM)在岩石力学与工程问题模拟领域的研究与应用进展。首先论述了相关理论与算法的研究现状,包括DDA中旋转虚假体积膨胀及能量损耗问题的解决,开裂破坏模拟的子块体单元DDA方法和节点DDA方法,以及颗粒DDA方法的发展等;也包括对NMM开裂破坏模拟能力及双重覆盖系统的研究,无网格NMM及粒子NMM的发展等;其中还涉及单纯形积分、高阶方法、材料本构模型、显式与并行计算的研究等;此外还对接触相关问题的研究进行了专门论述。随后,对DDA与NMM在岩体边坡失稳与落石、地下岩体结构的变形与破坏、应力波传播与岩石爆破、岩体结构地震破坏与失稳及岩体锚固工程领域的代表性研究与应用工作进行了详细论述。在此基础上,凝练和论述了DDA和NMM研究与应用面临的主要问题与挑战,包括计算控制参数、计算效率、多物理场、三维方法、程序的商业化开发等,并给出了相应的对策建议。

关键词：岩石力学非连续变形分析(DDA) 数值流形方法(NMM)

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节理岩体爆破的DDA方法模拟

岩土力学 2010年第7期31卷 2259-2263页

作者：甯尤军杨军陈鹏万北京理工大学爆炸科学与技术国家重点实验室北京100081

在非连续变形分析(DDA)方法中,通过跟踪炮孔扩张和炮孔周边裂隙的发展贯通求得爆腔的即时体积,进而根据爆生压力状态方程计算爆腔即时压力,并将爆生压力载荷作用到主炮孔内壁和贯通裂隙面上,实现了爆生产物作用下节理岩体爆破的DDA方法... 详细信息

在非连续变形分析(DDA)方法中,通过跟踪炮孔扩张和炮孔周边裂隙的发展贯通求得爆腔的即时体积,进而根据爆生压力状态方程计算爆腔即时压力,并将爆生压力载荷作用到主炮孔内壁和贯通裂隙面上,实现了爆生产物作用下节理岩体爆破的DDA方法模拟。采用DDA方法模拟了节理岩体中的水平柱状炮孔抛掷爆破问题,得到了爆腔的体积扩张和压力衰减时间曲线,模拟很好的再现了岩石爆破过程中的炮孔扩张、岩体破坏、块体抛掷和爆堆形成过程。

关键词： DDA 爆生产物压力节理岩体岩石爆破:数值模拟

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地下层状岩体爆破的DDA方法模拟研究

地下空间与工程学报 2023年第3期19卷 955-961页

作者：杜鑫甯尤军杨军西南石油大学机电工程学院成都610500 西南石油大学工程安全评估与防护研究院成都610500 北京理工大学爆炸科学与技术国家重点实验室北京100081

爆破破岩是爆炸应力波和爆生气体压力共同作用的结果,岩体不连续面和地应力是影响地下岩石爆破的重要因素。在非连续变形分析(DDA)方法中引入接触阻尼算法,同时改进爆腔搜索算法,采用递归策略搜索联通裂隙网络,实现节理岩体爆破模拟中... 详细信息

爆破破岩是爆炸应力波和爆生气体压力共同作用的结果,岩体不连续面和地应力是影响地下岩石爆破的重要因素。在非连续变形分析(DDA)方法中引入接触阻尼算法,同时改进爆腔搜索算法,采用递归策略搜索联通裂隙网络,实现节理岩体爆破模拟中爆腔的实时跟踪,进而对爆炸应力波和爆生气体共同作用下地下层状岩体的单孔爆破进行数值模拟,研究节理间距对破岩效果的影响。结果表明:节理对爆炸应力波的衰减作用随着节理间距的增大而明显减弱,相应的爆腔体积增大和爆腔压力衰减减慢;节理间距的增加将减慢爆破能量的衰减,从而导致更多的裂纹数量和更大的破岩程度;当节理间距较小时,爆生气体破岩作用较大,而随着节理间距的增加,爆炸应力波破岩作用愈加明显;节理的存在还将导致爆破径向裂纹沿节理面的偏转并进而继续沿径向扩展或停止扩展;节理间距越大,径向主裂纹发育也越明显。

关键词：岩石爆破地下层状岩体爆炸应力波爆生气体非连续变形分析

基于CUDA的JPCG并行算法求解三维DDA方程组

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岩石力学与工程学报 2020年第6期39卷 1231-1241页

作者：王占学杨军倪克松甯尤军北京理工大学爆炸科学与技术国家重点实验室北京100081 西南石油大学机电工程学院四川成都610500

非连续变形分析(discontinuous deformation analysis,DDA)方法已被广泛应用于岩土工程领域。不同于二维DDA,三维DDA更具备分析节理岩体变形和稳定性实际问题的能力。三维DDA块体间接触的复杂化,未知数规模的大幅增加,以及程序中数据和... 详细信息

非连续变形分析(discontinuous deformation analysis,DDA)方法已被广泛应用于岩土工程领域。不同于二维DDA,三维DDA更具备分析节理岩体变形和稳定性实际问题的能力。三维DDA块体间接触的复杂化,未知数规模的大幅增加,以及程序中数据和内存的管理,对总体平衡方程组的求解提出了更高的稳定性和效率要求。对于原DDA程序中采用的超松弛(successive over-relaxation,SOR)求解算法,当超松弛因子选取不合适时,会造成方程组求解的不收敛。基于GPU,采用compute unified device architecture(CUDA)并行计算架构,实现了三维DDA总体平衡方程组的雅可比预处理共轭梯度法(jacobi-preconditioned conjugate gradient,JPCG)并行求解,通过算例展示了JPCG算法与GPU技术相结合的加速效果。相较于原有串行SOR算法,不仅避免了超松弛因子选取对求解收敛性的影响,而且提高了求解效率,为采用三维DDA求解实际岩石力学与工程问题创造了有利条件。

关键词：岩石力学三维非连续变形分析方法 compute unified device architecture(CUDA) 雅可比预处理共轭梯度法超松弛算法

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钻地弹侵彻地下结构的2D-DDA模拟研究

战术导弹技术 2006年第5期 39-43页

作者：甯尤军杨军北京理工大学爆炸科学与技术国家重点实验室北京100081

钻地弹对地下结构的侵彻问题属于大变形、大位移破坏问题,用现有有限元等数值算法对其进行数值模拟存在困难.本文利用二维非连续变形分析(2D-DDA)方法对钻地弹侵彻地下岩石隧道进行了数值模拟,得到了钻地弹几种不同入侵条件下隧道的稳... 详细信息

钻地弹对地下结构的侵彻问题属于大变形、大位移破坏问题,用现有有限元等数值算法对其进行数值模拟存在困难.本文利用二维非连续变形分析(2D-DDA)方法对钻地弹侵彻地下岩石隧道进行了数值模拟,得到了钻地弹几种不同入侵条件下隧道的稳定性和破坏情况,并对模拟结果进行了简要地分析.结果表明,利用DDA方法模拟地下结构的侵彻问题是可行的,这种有益尝试对于研究钻地弹具有一定的理论和实际意义.

关键词：非连续变形分析钻地弹侵彻地下结构数值模拟

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岩石非均匀特性的DDA方法模拟

重庆大学学报（自然科学版） 2016年第5期39卷 97-102页

作者：杨正甯尤军罗明倪克松西南科技大学制造科学与工程学院四川绵阳621010 四川省地质调查院成都610081 北京理工大学机电工程学院北京100081

采用非连续变形分析(discontinuous deformation analysis,DDA)方法,根据Weibull分布函数引入岩石细观非均匀性模型,对巴西圆盘的劈裂实验进行计算机模拟。在非均匀性模型中考虑弹性模量、泊松比和强度参数的非均匀性。非均匀圆盘和均... 详细信息

采用非连续变形分析(discontinuous deformation analysis,DDA)方法,根据Weibull分布函数引入岩石细观非均匀性模型,对巴西圆盘的劈裂实验进行计算机模拟。在非均匀性模型中考虑弹性模量、泊松比和强度参数的非均匀性。非均匀圆盘和均匀圆盘模拟结果的对比表明,非均匀模型的引入使得细观尺度下采用线性本构能够得到岩石的宏观非线性力学响应,并且非均匀性的引入使得岩石表现出更低的宏观强度特性。通过对比只考虑弹性模量、泊松比的非均匀性和同时考虑弹性模量、泊松比和强度的非均匀性的模拟结果,发现考虑强度非均匀性的巴西圆盘宏观强度更低且裂纹的产生更加分散。研究工作有助于对岩石非均匀和非线性特性的理解及其数值模拟分析。

关键词：岩石非均匀性非线性非连续变形分析(DDA) 数值模拟

一种高颗粒体积分数PBX细观模型的生成方法

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含能材料 2018年第9期26卷 772-778,816页

作者：康歌陈鹏万曾乙伦甯尤军北京理工大学机电学院北京100081 西南科技大学制造科学与工程学院四川绵阳621010 西南科技大学工程材料与结构冲击振动四川省重点实验室四川绵阳621010

为了从细观尺度上对高聚物黏结炸药(PBX)的力学性能进行模拟,将蒙特卡洛方法中级配的概念引入高体积分数的PBX细观模型,与Voronoi方法相结合,形成了一种可以考虑级配分布的Voronoi多边形颗粒生成方法,通过颗粒修正、收缩、切角和平滑等... 详细信息

为了从细观尺度上对高聚物黏结炸药(PBX)的力学性能进行模拟,将蒙特卡洛方法中级配的概念引入高体积分数的PBX细观模型,与Voronoi方法相结合,形成了一种可以考虑级配分布的Voronoi多边形颗粒生成方法,通过颗粒修正、收缩、切角和平滑等处理,建立了考虑级配和体积分数达94%及以上的PBX细观结构模型,模型在边界处还可保持周期连续性。采用数值流形(NMM)方法对不同颗粒级配条件下的三组PBX细观模型进行了单轴压缩模拟。将NMM模拟所得等效弹性模量与文献实验结果进行了比较。分析了模拟结果与实验结果之间出现偏差的原因,讨论了PBX细观结构模型生成方法的合理性。结果表明,PBX的等效弹性模量随体积分数的提高而增大,并且体积分数越高,增速越快;同时,当体积分数低于30%及高于85%时,颗粒的级配对等效模量的影响较小,而当30%≤体积分数≤85%时,颗粒级配对等效模量影响显著。

关键词：复合材料高聚物粘结炸药(PBX) 蒙特卡洛方法 Voronoi方法颗粒级配等效模量

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DDA子块体开裂模拟算法的优化与验证

地下空间与工程学报 2014年第5期10卷 1017-1022,1100页

作者：倪克松甯尤军西南科技大学制造科学与工程学院四川绵阳621010

非连续变形分析(DDA)是计算离散可变形块体系统力学响应的数值计算方法,其在连续岩体开裂破坏模拟中的应用也已得到研究。在以往的预离散子块体DDA开裂模拟方法中,通过采用虚拟节理对子块体进行粘结以模拟连续体的变形,进而根据虚拟节... 详细信息

非连续变形分析(DDA)是计算离散可变形块体系统力学响应的数值计算方法,其在连续岩体开裂破坏模拟中的应用也已得到研究。在以往的预离散子块体DDA开裂模拟方法中,通过采用虚拟节理对子块体进行粘结以模拟连续体的变形,进而根据虚拟节理面上的块间接触力判断沿预设节理面的拉伸或剪切破坏。该算法能够较好的模拟岩体的开裂路径和破坏形态,但受预设虚拟节理面方向对块间接触力大小的影响,由此得到的岩石开裂强度与实际之间可能产生较大差异。本研究不再根据块间接触力进行开裂判断,而改进为根据邻近子块体的应力状态进行开裂判断,并仍假定裂纹沿虚拟节理面产生。用新的DDA程序对压缩载荷作用下圆盘试件的拉伸开裂破坏和方形试件的剪切开裂破坏进行了模拟。算例表明,改进后的开裂算法具有高的开裂计算准确性,并大大减小了预设虚拟节理分布对开裂破坏强度及破坏路径模拟结果的影响。

关键词：非连续变形分析(DDA) 岩石开裂数值模拟

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锚杆拉拔力学作用机制的DDA方法模拟研究

应用力学学报 2022年第3期39卷 536-542,553页

作者：甯尤军张仲秋聂雯吕昕阳西南石油大学机电工程学院成都610500 西南石油大学工程安全评估与防护研究院成都610500 河北工业大学土木与交通学院天津300401

为研究锚杆拉拔实验中锚杆与岩体间的力学作用过程和机制,在非连续变形分析(discontinuous deformation analysis,DDA)方法中实现锚杆-岩体界面耦合作用算法,采用多线性黏结滑移界面模型模拟锚杆的滑移脱黏,并针对锚杆拉拔力作用节点和... 详细信息

为研究锚杆拉拔实验中锚杆与岩体间的力学作用过程和机制,在非连续变形分析(discontinuous deformation analysis,DDA)方法中实现锚杆-岩体界面耦合作用算法,采用多线性黏结滑移界面模型模拟锚杆的滑移脱黏,并针对锚杆拉拔力作用节点和脱黏节点提出专门算法。通过模拟结果与实验结果的对比,对文献中的三线性和四线性黏结滑移界面模型进行参数修正,并验证所提锚杆-岩体界面耦合作用算法的正确性和适用性。通过基于修正参数的多线性黏结滑移界面模型的锚杆拉拔DDA模拟,研究了锚杆的拉拔力-拉拔位移关系,以及不同拉拔力条件下锚杆-岩体界面切应力和锚杆轴力的分布与变化规律,并探讨了锚杆弹性模量对锚杆拉拔力学响应的影响。锚杆-岩体界面耦合作用算法的实现,也为岩体锚固的DDA模拟分析创造了条件。

关键词：锚杆拉拔黏结滑移模型轴力界面切应力非连续变形分析