Nội dung được dịch bởi AI, chỉ mang tính chất tham khảo
Hiệu Chỉnh Các Tham Số Hiển Vi Cho Phương Pháp Phần Tử Rời Rạc Cuối 3D
Rock Mechanics and Rock Engineering - Trang 1-18 - 2023
Tóm tắt
Các tham số hiển vi trong phương pháp số có ảnh hưởng quan trọng đến kết quả và hiệu quả tính toán của các mô hình. Các phương pháp hiệu chỉnh hiện có cho các tham số hiển vi trong phương pháp phần tử rời rạc cuối (FDEM) dựa trên mô hình FDEM hai chiều (2D), và còn thiếu các phương pháp hiệu chỉnh cho các tham số hiển vi phù hợp với mô hình FDEM ba chiều (3D). Do đó, bài báo này đề xuất một phương pháp hiệu chỉnh nhanh chóng và tiện lợi cho các tham số hiển vi của mô hình FDEM 3D. Đầu tiên, một thuật toán tính toán lực tiếp xúc tiếp tuyến dựa trên tổng lực pháp tuyến được đề xuất và xác minh bởi mô hình trượt. Tiếp theo, giả định rằng tham số hình phạt của phần tử rắn bằng với tham số hình phạt của phần tử khớp, mối quan hệ giữa tham số hình phạt pháp tuyến và tham số hình phạt tiếp tuyến, cũng như mối quan hệ giữa tham số hình phạt pháp tuyến và mô đun Young được nghiên cứu thông qua một số mô hình số. Hơn nữa, cường độ kéo và đường đi lan truyền nứt của mô hình đĩa Brazil dưới các tổ hợp tham số năng lượng nứt khác nhau cũng được nghiên cứu, và các tham số năng lượng nứt được hiệu chỉnh. Sau đó, mô hình nén ba trục dưới các áp lực bao bọc khác nhau được sử dụng để hiệu chỉnh độ liên kết c và góc ma sát trong φ. Thêm vào đó, các ảnh hưởng của tỷ lệ tải, kích thước mạng và bước thời gian đến sức mạnh mô hình và thời gian tính toán lần lượt được xem xét. Cuối cùng, mô phỏng số của thử nghiệm tách Brazilian động được thực hiện để xác minh độ tin cậy của phương pháp hiệu chỉnh tham số được đề xuất trong bài báo này. Mặc dù phương pháp hiệu chỉnh các tham số hiển vi không phải là duy nhất, nhưng phương pháp hiệu chỉnh tham số hiển vi có ý nghĩa tham khảo quan trọng và có lợi cho việc áp dụng mô hình FDEM 3D.
Từ khóa
#hiệu chỉnh tham số hiển vi #phương pháp phần tử rời rạc cuối ba chiều #tính toán lực tiếp xúc #cường độ kéo #mô hình đĩa BrazilTài liệu tham khảo
Batinić M, Smoljanović H, Munjiza A et al (2017) GPU based parallel FDEM for analysis of cable structures. Građevinar 69:1085–1092
Deng PH, Liu QS, Lu HF (2022) A novel joint element parameter calibration procedure for the combined finite-discrete element method. Eng Fract Mech 276:108924
Elmo D, Stead D, Eberhardt E et al (2013) Applications of finite/discrete element modeling to rock engineering problems. Int J Geomech 13(5):565–580
Fukuda D, Mohammadnejad M, Liu HY et al (2020) Development of a 3d hybrid finite-discrete element simulator based on GPGPU-parallelized computation for modelling rock fracturing under quasi-static and dynamic loading conditions. Rock Mech Rock Eng 53:1079–1112
Fukuda D, Liu HY, Zhang QB et al (2021) Modelling of dynamic rock fracture process using the finite-discrete element method with a novel and efficient contact activation scheme. Int J Rock Mech Min Sci 138:104645
Guo LW, Xiang JS, Latham JP et al (2016) A numerical investigation of mesh sensitivity for a new 3D fracture model within the combined finite-discrete element method. Eng Fract Mech 151:70–91
Hillerborg A, Modeer M, Petersson PE (1976) Analysis of crack formation and crack growth in concrete by means of fracture mechanics and finite elements. Cem Concr Res 6(6):773–781
Kazerani T, Zhao J (2010) Micromechanical parameters in bonded particle method for modelling of brittle material failure. Int J Numer Anal Meth Geomech 34:1877–1895
Kazerani T, Yang ZY, Zhao J (2012) A discrete element model for predicting shear strength and degradation of rock joint by using compressive and tensile test data. Rock Mech Rock Eng 45(5):695–709
Labuz JF, Shah SP, Dowding CH (1985) Experimental analysis of crack propagation in granite. Int J Rock Mech Min Sci 22(2):85–98
Lei Z, Rougier E, Knight EE et al (2014) A framework for grand scale parallelization of the combined finite discrete element method in 2D. Comput Part Mech 1(3):307–319
Liang ZZ, Xing H, Wang SY et al (2012) A 3D numerical investigation of the fracture of rock specimens containing a pre-existing surface flaw. Comput Geotech 45:19–33
Lisjak A, Grasselli G (2014) A review of discrete modeling techniques for fracturing processes in discontinuous rock masses. J Rock Mech Geotech Eng 6:301–314
Lisjak A, Tatone BSA, Grasselli G et al (2014) Numerical modelling of the anisotropic mechanical behaviour of opalinus clay at the laboratory-scale using FEM/DEM. Rock Mech Rock Eng 47(1):187–206
Lisjak A, Mahabadi OK, He L et al (2018) Acceleration of a 2D/3D finite-discrete element code for geomechanical simulations using General Purpose GPU computing. Comput Geotech 100:84–96
Liu QS, Deng PH (2019) A numerical investigation of element size and loading/unloading rate for intact rock in laboratory-scale and field-scale based on the combined finite-discrete element method. Eng Fract Mech 211:442–462
Liu QS, Wang W, Ma H (2020a) Parallelized combined finite-discrete element (FDEM) procedure using multi-GPU with CUDA. Int J Numer Anal Meth Geomech 44:208–238
Liu XN, Mao J, Zhao LH et al (2020b) The distance potential function-based finite-discrete element method. Comput Mech 66:1477–1495
Liu H, Liu QS, Ma H et al (2021) A novel GPGPU-parallelized contact detection algorithm for combined finite-discrete element method. Int J Rock Mech Min Sci 144:104782
Lotfi HR, Shing PB (1994) Interface model applied to fracture of masonry structures. J Struct Eng 120(1):63–80
Lourenço PB, Rots JG (1997) Multisurface interface model for analysis of masonry structures. J Eng Mech 123:653–763
Ma H, Wang WQ, Liu QS et al (2022) Extremely large deformation of tunnel induced by rock mass fracture using GPGPU parallel FDEM. Int J Numer Anal Meth Geomech 46:1782–1807
Mahabadi OK, Grasselli G, Munjiza A (2010) Y-GUI: a graphical user interface and pre-processor for the combined finite-discrete element code, Y2D, incorporating material heterogeneity. Comput Geotech 36(2):241–252
Mahabadi OK, Tatone BSA, Grasselli G (2014a) Influence of microscale heterogeneity and microstructure on the tensile behavior of crystalline rocks. J Geophys Res Solid Earth 119(7):5324–5341
Mahabadi OK, Kaifosh P, Marschall P et al (2014b) 3D FDEM numerical simulation of failure processes observed in Opalinus Clay laboratory samples. J Rock Mech Geotech Eng 6:591–606
Mohammadnejad M, Liu H, Chan A et al (2018) An overview on advances in computational fracture mechanics of rock. Geosyst Eng 24(4):206–229
Munjiza A (2004) The combined finite-discrete element method. Wiley, London
Munjiza A, John NWM (2002) Mesh size sensitivity of the combined FEM/DEM fracture and fragmentation algorithms. Eng Fract Mech 69(2):281–295
Munjiza A, Owen DRJ, Bicanic N (1995) A combined finite-discrete element method in transient dynamics of fracturing solids. Eng Comput 12:145–174
Munjiza A, Andrews KRF, White JK (1999) Combined single and smeared crack model in combined finite-discrete element analysis. Int J Numer Meth Eng 44(1):41–57
Osthus D, Godinez HC, Rougier E et al (2018) Calibrating the stress-time curve of a combined finite-discrete element method to a Split Hopkinson pressure bar experiment. Int J Rock Mech Min Sci 106:278–288
Potyondy DO, Cundall PA (2004) A bonded-particle model for rock. Int J Rock Mech Min Sci 41(8):1329–1364
Rougier E, Knight EE, Broome S et al (2014) Validation of a 3D finite-discrete element method using experimental results of the split Hopkinson pressure bar test. Int J Rock Mech Min Sci 70:101–108
Sato K, Hashida T (2006) Fracture toughness evaluation based on tension-softening model and its application to hydraulic fracturing. Pure Appl Geophys 163:1073–1089
Tatone BSA, Grasselli G (2015) A calibration procedure for 2D laboratory-scale hybrid finite-discrete element simulations. Int J Rock Mech Min Sci 75:56–72
Terry YPY, Trissa D, Zhang HH et al (2019) A fracture energy based damage-plasticity interfacial constitutive law for discrete finite element modelling of masonry structures. Comput Struct 220:92–113
Yan CZ, Tong Y (2020) Calibration of microscopic penalty parameters in the combined finite–discrete-element method. Int J Geomech 20(7):04020092
Yan CZ, Zheng H (2017) A new potential function for the calculation of contact forces in the combined finite-discrete element method. Int J Numer Anal Meth Geomech 41:265–283
Yoon J (2007) Application of experimental design and optimization to PFC model calibration in uniaxial compression simulation. Int J Rock Mech Min Sci 44(6):871–889
Zhao LH, Liu XN, Mao J et al (2018) A novel contact algorithm based on a distance potential function for the 3D discrete-element method. Rock Mech Rock Eng 51:3737–3769
Zhao Q, Tisato N, Abdelaziz A et al (2023) Numerical investigation of progressive damage and associated seismicity on a laboratory fault. Int J Rock Mech Min Sci 167:105392