岩土力学 ›› 2021, Vol. 42 ›› Issue (12): 3419-3427.doi: 10.16285/j.rsm.2021.0556

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相场数值流形法模拟岩石裂纹扩展

杨亮1, 2,杨永涛1,郑宏3   

  1. 1. 中国科学院武汉岩土力学研究所 岩土力学与工程国家重点实验室,湖北 武汉 430071;2. 中国科学院大学,北京 100049; 3. 北京工业大学 城市与工程安全减灾教育部重点实验室,北京 100124
  • 出版日期:2021-12-13 发布日期:2021-12-14
  • 作者简介:杨亮,男,1989年生,博士研究生,主要从事计算岩石力学方面的研究。
  • 基金资助:
    国家自然科学基金(No.51538001)。

The phase field numerical manifold method for crack propagation in rock

YANG Liang1, 2, YANG Yong-tao1, ZHENG Hong3   

  1. 1. State Key Laboratory of Geomechanics and Geotechnical Engineering, Institute of Rock and Soil Mechanics, Chinese Academy of Sciences, Wuhan, Hubei 430071, China; 2. University of Chinese Academy of Sciences, Beijing 100049, China; 3. Key Laboratory of Urban Security and Disaster Engineering of Ministry of Education, Beijing University of Technology, Beijing 100124, China
  • Online:2021-12-13 Published:2021-12-14
  • Supported by:
    This work was supported by the National Natural Science Foundation of China(51538001).

摘要: 断裂是材料、构件最常见的破坏失效形式之一,它极大地制约着工程设计,研究和掌握岩石等工程材料内部裂纹的扩展和演化规律对于工程建设具有重要意义,目前的数值分析方法在解决此问题时或多或少的存在一些局限,如裂纹路径的网格依赖性,经典断裂准则难以处理裂纹分叉合并等。近年来,相场法在模拟裂纹扩展方面得到了广泛的应用。相场数值流形法则整合了相场法和数值流形法的优势,并用于模拟岩石裂纹扩展。论述了相场数值流形法的数值离散方法,并通过模拟半圆盘三点弯曲试验和巴西圆盘试验验证了相场数值流形法模拟岩石裂纹扩展的可行性。在此基础上,模拟了含有不同岩桥倾角的预制裂隙的岩石在单轴压缩下的多裂纹扩展过程,与室内试验和PFC模拟的结果均吻合较好。结果表明,相场数值流形法在模拟岩石裂纹扩展具有广阔的应用前景。

关键词: 相场法, 断裂变分法, 数值流形法, 裂纹扩展

Abstract: Fracture is one of the most common failure modes of materials and components and greatly restricts engineering design. Understanding of the crack propagation and evolution of rock and other engineering materials is of great significance to engineering construction. For the current numerical methods there are more or less limitations when analyzing the evolution of cracks, such as the grid dependence of the crack path, the difficulty to deal with crack bifurcation and merging by the classic fracture criterion. In recent years, the phase field method (PFM) has been widely used in simulating crack growth. A phase field numerical manifold method (PFNMM) makes use of the advantages of the phase field method in simulating crack propagation and those of the numerical manifold method (NMM), and is proposed for crack growth in rock. The implementation details of the proposed numerical model are presented. Several benchmark examples, including notched semi-circular bend test and Brazilian disc test, are adopted to validate the proposed numerical approach. After that, the multi-crack propagation process with different rock bridge inclination angles under uniaxial compression is simulated, which is in good agreement with the results derived from laboratory and PFC. And the results indicate that the PFNMM has broad application prospects in simulating crack growth of rock.

Key words: phase field method, variational fracture, numerical manifold method, crack propagation

中图分类号: 

  • TU452
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