低渗透油藏CO2混相驱过程中考虑对流扩散的流固耦合模型研究

为研究低渗透油藏中对流扩散和流固耦合对CO2混相驱油的影响,推导低渗透油藏CO2混相驱过程中多相多组分渗流场、对流扩散场和应变场三场全耦合控制方程,并给出求解方法。模型考虑对流扩散、混相和岩石骨架的应力–应变对整个渗流过程的影响,并对边界条件进行约束。应用建立的考虑对流扩散的流固耦合模型进行实例分析,结果表明:所建模型综合考虑对流扩散与流固耦合现象对渗流的影响,体现出模型与计算方法的实用性,并提高CO2混相驱的模拟精度,本模型计算结果与常规数值模拟结果具有一定的可比性。同时,通过界面张力、产能、混相区域等参数定量描述对流扩散现象对CO2混相驱的影响。     

基于DIC技术和无网格法的裂尖应变场分析方法

针对数字图像相关(DIC)技术难以获得精准的裂纹尖端应变场问题,提出一种基于DIC技术和伽辽金无网格法(EFG)的混合方法来分析裂尖应变场。该方法基于DIC技术导出场节点建立无网格模型,采用EFG法结合衍射法表示裂纹不连续性,进而计算全场应变值。以Q235qE钢材制成的紧凑拉伸(CT)试样为例开展了准静态循环拉伸试验,通过比较裂尖应变解析解和试验结果,证明该方法的有效性和稳定性。进一步研究DIC EFG法在裂尖塑性区域和应力强度因子(SIF)计算等方面的应用。研究结果表明：DIC EFG混合方法建模简单,不需要荷载和约束条件,能够获得准确的包括裂尖在内的全平面应变场。相较于传统DIC技术,DIC EFG混合方法解决疲劳裂纹附近结果缺失的问题,结合J积分法计算SIF结果更为精准,可应用于疲劳裂纹的塑性区域和SIF计算等断裂性能研究。     

煤岩组合体峰前轴向裂纹演化与非线性模型

随着中国煤炭开采深度逐渐加深,煤岩组合体的力学特性与应力–应变关系显得越来越重要。煤岩组合体的原生裂纹和煤岩体之间的界面对其力学性质有较大影响。为了探知裂纹和界面的影响,主要研究了轴向裂纹应变随应力、应变的演化特征,并基于工程应变和自然(真实)应变的概念,建立轴向裂纹闭合模型(axial crack closure model,简称ACCM)及轴向裂纹扩展模型(axial crack propagation model,简称ACPM),最后建立了峰前应力–应变关系模型。分析发现,轴向裂纹应变与轴向应变关系可分为4个阶段,即初始阶段、稳定阶段、缓慢增长阶段和快速增长阶段,轴向裂纹应变与轴向应力关系与之类似。轴向裂纹闭合模型、轴向裂纹扩展模型与峰前应力–应变模型均能够较好地与试验数据吻合,能够描述应力–应变关系的非线性特点。     

岩石类非均质脆性材料破坏过程的数值模拟

用梁–颗粒模型BPM2模拟了岩石的破坏过程。梁–颗粒模型是在离散单元法基础上,结合有限单元法提出的用于模拟岩石类材料破坏过程的数值模型。在模型中,采用3种类型梁单元随机分布来模拟岩石类材料力学参数的空间变异性,并通过自动生成的非均质材料模型对岩石类材料的破坏机理进行了研究。岩石类非均质脆性材料在单轴受压状态下破坏过程细观数值模拟结果显示,岩石材料宏观破坏是由于其内部细观裂纹产生、扩展、贯通的结果。与实际矿柱破坏形态的对比分析表明,梁–颗粒模型是计算和模拟岩石类脆性材料破坏问题的有力工具。     

预制裂隙岩石裂纹扩展相场模拟方法研究

裂隙岩石变形破坏是其内部裂纹萌生、生长和聚合成宏观裂隙的结果。为了模拟裂隙岩石复杂断裂破坏过程，基于传统的相场断裂模型，通过拉、拉剪和压剪应变能密度分解，提出一种新的相场模型。根据Mohr-Coulomb准则分别定义剪切应力和压剪应变能，推导位移场和相场耦合控制方程，采用有限元方法进行空间离散和交错求解算法进行相场理论数值求解。通过对比基准算例的相场模拟结果与解析解，验证编制的相场有限元程序的准确性。然后，基于黄砂岩试验数据确定模型参数，运用该程序对单预制裂隙岩石(α=30°)和双预制裂隙岩石(α=30°，β=30°和α=30°，β=60°)单轴压缩试验进行模拟，再现了裂隙岩石所产生的张拉、剪切和混合裂纹生长和扩展模式，与试验结果吻合较好。因此，改进的相场模型能够模拟裂隙岩石裂纹起裂及后续扩展的动态演化过程。     

基于Flat-Joint接触模型的黏弹性动态本构开发及其参数影响分析

基于离散元方法将黏弹性本构关系引入到Flat-Joint模型中,推导出黏弹性的力–位移更新公式以及率相关黏结键断裂准则,使颗粒间接触力响应和黏结强度表现出率相关性,并通过C++语言生成供颗粒流程序(PFC~(2D))调用的自定义本构子程序(DLL)。模拟不同应变率条件下的岩石类材料动态压缩过程,得到应力–应变曲线、断裂黏结键数量变化曲线和黏结键断裂时刻分布与应变率之间的关系,分析应变率提高对裂纹生成和分布的影响;同时分析各黏弹性参数对应力–应变曲线和泊松比等宏观参数以及试件变形和破坏特性的影响,可知E_1越大,主剪切裂纹越粗壮,E_2越小,剪切裂纹和弥散裂纹数量分布越多,而h_2参数对主剪切裂纹影响很小,但从主剪切裂纹延伸出的次级裂纹随h_2减小而增多。     

岩石Ⅰ-Ⅱ复合型裂纹动态扩展SHPB实验及数值模拟研究

为了研究Ⅰ-Ⅱ复合型裂纹动态扩展问题及裂纹止裂问题,侧开单裂纹半孔板(single cleavage semi circle compression,SCSCC)试样采用分离式霍普金森压杆(SHPB)实验系统进行冲击,完成SCSCC试样I–II复合型裂纹动态断裂实验,并针对实验进行数值分析,研究其扩展路径。为了验证数值模拟的可靠性,不仅进行有限尺寸中心裂纹板受冲击拉伸作用的动态有限差分法分析,而且在对SHPB实验进行数值分析后,将模拟监测点应变值与实验中入射杆应变片测得的应变值进行比较。结果表明:(1)验证分析中应力强度因子结果与其他测试的结果比较吻合,同时,模拟监测点记录下的应变值与SHPB实验中入射杆应变片记录下的应变数据相比较,两者吻合程度很高,说明使用数值方法模拟SHPB实验的可行性;(2)数值模拟的裂纹扩展路径与SHPB实验裂纹扩展路径基本吻合;(3)SCSCC试件在扩展过程中,裂纹尖端存在短暂停留现象,并最终朝着试件中轴线方向(最大应力区)移动;(4)SCSCC试件是一种便于研究裂纹动态扩展问题的构型,可以有效地求解不同复合程度的I–II复合型裂纹问题,为后续的止裂研究提供基础。     

基于相场方法的岩石弹塑性损伤模型研究及其数值实现

岩石材料损伤破坏的研究对岩体工程的稳定性评价至关重要,基于热力学原理,在经典相场损伤模型框架中引入塑性本构模型和硬化准则,借助塑性耗散能驱动下的塑性硬化阶段和峰后软化阶段损伤演化方程,建立一种岩石弹塑性相场损伤模型,并给出其数值实现。通过对比相场损伤均质响应模拟结果和解析解,验证塑性损伤耦合条件下该模型的正确性和可靠性。采用该模型,模拟岩石二维和三维复杂裂纹扩展,研究含预制裂纹岩石试样的塑性剪切损伤破坏过程,计算结果与已有试验结果吻合较好。该模型能自动、准确地跟踪岩石复杂裂纹扩展路径,有效描述岩石的损伤演化规律以及塑性变形与非局部相场损伤之间的耦合效应,可进一步应用到模拟实际工程岩石损伤破坏及稳定性问题。     

本刊2006年第3期被EI收录论文（31篇，收录率为100％）题录

No.论文题目作者名页码1岩石非线性黏弹塑性流变模型(河海模型)及其应用徐卫亚杨圣奇褚卫江433–4472深部岩体的构造和变形与破坏问题王明洋周泽平钱七虎448–4553二维高速滑坡力学模型肖盛燮周小平杨海清等456–4614裂纹几何特征对压剪复合断裂的影响分析李银平杨春和462–4665岩石裂纹扩展过程的动态监测研究刘冬梅蔡美峰周玉斌等467–4726周期荷载作用下红砂岩三轴疲劳变形特性试验研究章清叙葛修润黄铭等473–4787岩石破裂过程分析系统中的应力并行求解张永彬唐春安张怀等479–4838石灰岩应力–应变全过程的非Darcy流渗透特性孙明贵黄…     

压应力状态下断续节理岩体全过程应力-应变关系及其变形局部化分析

利用内变量热力学理论和裂纹孤立理论研究了压应力状态下断续节理岩体的变形局部化问题和全过程应力–应变关系。研究表明全过程应力–应变关系包括线弹性阶段、非线性强化阶段和应变软化阶段。分析了产生应变软化的主要原因,将损伤和变形局部化引入本构模型是和以往本构模型的显著区别。通过实验对比分析,验证了模型的正确性和有效性。     

压应力状态下断续节理岩体全过程应力–应变关系及其变形局部化分析

利用内变量热力学理论和裂纹孤立理论研究了压应力状态下断续节理岩体的变形局部化问题和全过程应力–应变关系。研究表明全过程应力–应变关系包括线弹性阶段、非线性强化阶段和应变软化阶段。分析了产生应变软化的主要原因，将损伤和变形局部化引入本构模型是和以往本构模型的显著区别。通过实验对比分析，验证了模型的正确性和有效性。     

基于平节理模型的花岗岩固有微裂纹对裂纹演化影响分析

模拟脆性岩石破坏时,现有的平节理模型没有考虑固有微裂纹导致的应力-应变曲线非线性特征,也没有将起裂强度作为细观参数的标定基准。以花岗岩单轴抗压强度、弹性模量、泊松比、应力-应变曲线特征、起裂强度、巴西劈裂抗拉强度、库仑摩擦角以及黏聚力作为基准,标定平节理模型细观参数,并分析宏细观参数间的趋势关系。以标定后的参数建立精确平节理模型试样,与不考虑固有微裂纹的常规平节理模型试样一起进行30°单裂纹岩石压缩数值试验,以室内试验数字图像相关方法得到的应变场为基础,对拉剪微裂纹萌生规律、数量以及分布特征进行分析,验证了提出的平节理模型参数标定方法,并表明固有微裂纹在宏观层面上改变了单轴压缩应力-应变曲线特征,而在细观层面上对预制裂隙尖端初始裂纹的起裂模式、拉剪微裂纹的扩展分布规律均有较大影响。     

数值流形法在裂纹扩展中的应用

针对传统的断裂准则难以模拟混合型多裂纹扩展问题,在已有数值流形法程序基础上,对已有的裂纹扩展准则进行改进使数值流形法能够适应于多种类型裂纹扩展模拟。研究中以莫尔–库仑准则和最大周向应力准则为基础,将二者结合确定裂纹扩展方向。采用C语言开发相应计算程序计算了半圆盘拉伸试验和四点双边剪切试验,数值模拟和试验结果的裂纹扩展路径一致,并且裂纹能够穿过流形单元内部。随后模拟了重力坝开裂问题,发现重力坝开裂主要是拉伸破坏,并且裂纹扩展路径与有限元结果近似。最后通过模拟边坡滑移问题,计算结果与DEM和其他方法对比具有高度一致性。结果不仅验证了提出的强度准则在模拟各类型的裂纹扩展问题是有效的,同时为NMM模拟工程实际问题打下基础。     

基于改进刚体弹簧方法的岩石破坏过程三维模拟

基于刚体–弹簧方法，提出一种新的模拟脆性岩石破坏过程的三维离散数值模型。该模型采用分布在界面上的弹簧组，描述块体之间的相互作用，能够自然考虑裂纹的渐进扩展。为得到均质各向同性的计算网格，在“点饱和”方法的基础上，提出了增长式的“核”布置策略，建立一种新的随机Voronoi网格剖分技术，并给出三维改进刚体–弹簧方法的基本方程。考虑界面的剪切滑移和张拉2种破坏模式，建立基于Mohr-Coulomb准则和抗拉强度准则的破坏准则，并提供模型细观参数的标定流程。最后，通过与室内三轴试验结果对比，验证了该模型的有效性。此外，还讨论了不同弹簧布置形式及块体尺寸对模拟结果的影响。结果表明，所提模型能够准确描述岩石与围压相关的非线性应力–应变响应过程，微裂纹的产生、扩展和贯通全过程，以及岩石的在不同围压条件下的宏观破坏模式。     

层理页岩水力裂缝扩展规律的相场法研究

准确预测层理页岩水力裂缝扩展路径对于页岩压裂方案优化与压裂效果评价至关重要.基于多孔弹性理论和能量最小化原理建立水力耦合的相场模型,采用交错策略的分离式耦合方法进行求解.通过压裂试验数据对比验证模型的可靠性,同时基于页岩三维水力压裂模拟分析,验证该方法对于模拟不同地应力条件下的水力裂纹扩展问题的适用性.基于该模型,利用...     

基于应变局部化的双裂纹岩样贯通模式及强度试验研究

含裂隙岩体在外力作用下,内部裂纹会发生扩展,这会显著影响强度以及损伤特性。基于前期验证可靠的DIC系统,对含双裂纹的类岩石材料进行单轴压缩试验,捕获全过程的应变场演化云图以及岩桥区域应变局部化过程,研究发现:岩样呈现出显著的变形局部化渐进破坏特性;试验初期形成的应变局部化带基本确定了加载全程全局应变场的变化范围与变化趋势;基于试验研究,双裂纹岩样的贯通破坏模式可归总为4类:岩桥不贯通模式、裂纹内尖端贯通模式、裂纹内外尖端贯通模式以及裂纹外尖端贯通模式;岩桥角度及其空间排布在细观上影响了应变场局部化带的演化过程,宏观上决定了裂纹的扩展路径及岩样的破坏模式;岩桥贯通时应变局部化带的融合造成了应力–应变曲线的"峰前波动",使得岩样强度降低,并且融合越慢岩样强度越高。     

基于细观力学的脆性岩石长期蠕变失效研究

蠕变特性是评价岩石长期失效特性的重要依据。基于岩石细观力学模型及裂纹扩展法则,结合细观裂纹长度与宏观应变定义损伤之间的联系,建立细观裂纹扩展与宏观应变之间的关系,并给出岩石的应力–应变关系及三级蠕变演化表达式。研究岩石渐进失效过程中不同围压下的应力–应变关系,并分析分级加载下的蠕变演化规律,其结果与试验结果吻合较好,验证了提出的细观模型的合理性。然后,对不同常应力状态下的蠕变失效时间与稳态蠕变率进行研究,其结果对高地应力下地下支护结构的设计及服役寿命的评估具有重要指导意义。     

相场断裂模型分步算法在ABAQUS中的实现

 首次基于ABAQUS平台实现相场断裂模型的分步算法,利用UMAT/VUMAT子程序接口对非线性平衡方程进行隐式/显式求解,提出位移场和相场的分步求解算法。准静态加载下的I和II型裂缝扩展问题、冲击荷载作用下的I型动态裂缝分叉和II型动态裂缝扩展问题,计算所得结果与已有文献和试验成果基本一致,说明了方法的可靠性;同时,对岩石力学领域中的双平行翼型裂缝相交和动态裂缝三维曲面扩展等问题,也利用该方法进行模拟。计算实例表明,结构储存的较高弹性应变能是脆性材料动态裂缝分叉的主要原因,而相场断裂模型是一种能够计算包括裂缝起裂、相交、分叉和三维曲面扩展的有效断裂计算方法,借助通用有限元平台可以方便地实现其分步算法。     

Boom Clay泥岩渗流–应力–损伤耦合流变模型、参数反演与工程应用

泥岩由于其低渗透性、良好的蠕变性和遇水损伤自修复特征被认为是一种良好的核废料储存介质,法国、比利时、瑞士等国相继建成地下试验平台,开展泥岩现场多场耦合试验研究.结合比利时地下大型试验室正开展的泥岩研究课题,从泥岩的力学特性、渗透性、开挖扰动区、地下水–围岩相互作用机制以及围岩流变性等方面开展研究,主要研究成果如下:博士学位论文(1) 建立了考虑最大拉应力准则的修正Mohr-Coulomb模型,采用向后欧拉隐式应力积分算法编制了UMAT本构程序;为描述泥岩的硬化和软化行为,将损伤引入到修正的Mohr-Coulomb准则中,基于损伤势函数的概念建立了泥岩弹塑性损伤本构模型,导出了泥岩的损伤演化方程,编制了泥岩弹塑性损伤本构程序.(2) 基于拉丁超立方抽样,提出了采用非参数统计方法中的秩相关系数来评价多因素敏感性的方法;分别建立了基于侧压力系数的三维地应场反演模型、位移量测反演模型和渗流场反演模型,提出Nelder-Mead法与有限元联合反演法,将有限元程序作为一个单独模块嵌入到Nelder-Mead算法程序中,以测点的实测值与计算值建立目标函数,采用精确罚函数法实现有约束的反演问题转化成无约束的反演问题,编制了优化反演分析程序.(3) 针对本构模型的参数辨识问题,编制了本构模型参数反演程序,并根据非排水条件下泥岩三轴试验结果,采用多目标函数优化反分析法获得了泥岩本构模型参数.(4) 在分析软岩与水相互作用机制、不同应力–应变阶段渗透性演化规律以及隧洞围岩渗透性分区的基础上,建立了渗透系数、孔隙度等参数的动态演化方程,导出了岩土介质的渗流–应力动态全耦合模型;基于应力–应变–渗透率全过程试验和渗透性工程试验,通过引入损伤的概念,建立了描述岩体破坏过程的渗流–应力–损伤耦合模型;对隧洞围岩裂隙自愈合机制进行了分析,通过引入愈合应力和水化学愈合因子的概念,建立了描述泥岩裂隙自愈合特性的渗透性自愈合模型;基于现场监测的孔隙压力资料,采用有限元优化法反演了泥岩的渗透系数和渗透性演化方程中的待定参数.(5) 根据泥岩的非线性蠕变变形特点,建立了蠕变损伤与蠕应变的关系式,构造了基于Mohr-Coulomb准则的蠕变势,导出了考虑渗流–应力–损伤耦合的非线性蠕变损伤本构模型,采用了显式积分算法编制了UMAT蠕变本构程序;基于近20 a的现场监测成果,采用位移反分析法获得了本构模型中的待定参数.(6) 在泥岩力学特性、渗透性、本构模型及长期强度准则等研究成果的基础上,采用数值模拟方法,研究储库围岩孔隙压力分布规律、开挖扰动区的损伤演化过程及渗透性演化规律,对围岩稳定性进行评价,预测试验巷道长期稳定性.     

水压–应力耦合作用下砂岩应力松弛特性试验研究

基于三维数字图像相关技术,采用可视化三轴压缩伺服控制试验系统,开展孔隙水压–应力耦合作用下砂岩应力松弛特性试验研究。结果表明：(1)径向应变场中局部微裂纹损伤发育并相互贯通是引起脆性岩石应力松弛时效失稳破坏的主控因素。(2)松弛应力水平位于岩石微裂纹稳定发育和微裂纹不稳定发育阶段时,孔隙水压的增加,能显著提高岩石的应力松弛量和径向应变变化量,缩短岩石时效破坏寿命。(3)松弛破坏试样应力–时间曲线和径向应变–时间曲线呈“阶梯式”变化趋势,及两者的速率–时间曲线呈现“漏斗形”演化趋势,其实质均反映了岩石应力松弛过程中微裂纹损伤发育扩展和相互贯通。(4)松弛破坏试样破裂面裂纹发育以沿晶裂纹为主,且相互之间汇集、贯通,胶结基质破碎严重,胶结结构丧失,脆性岩石应力松弛时效破坏实质是受裂纹发育扩展所控制。