岩土力学 ›› 2025, Vol. 46 ›› Issue (2): 625-639.doi: 10.16285/j.rsm.2024.0498

• 数值分析 • 上一篇    下一篇

应用卷积近场动力学快速模拟随机裂纹扩展

周建1, 2,廖星川1, 2,刘福深1, 2, 3,尚肖楠1, 2,沈君逸1, 2   

  1. 1. 浙江大学 滨海和城市岩土工程研究中心,浙江 杭州 310058; 2. 浙江大学 浙江省城市地下空间开发工程技术研究中心,浙江 杭州 310058;3. 浙江大学 岩土工程计算中心,浙江 杭州 310058
  • 收稿日期:2024-04-22 接受日期:2024-08-06 出版日期:2025-02-10 发布日期:2025-02-11
  • 通讯作者: 刘福深,男,1980年生,博士,研究员,博士生导师,主要从事计算岩土力学、多尺度多物理场耦合等工作。E-mail: fushenliu@zju.edu.cn
  • 作者简介:周建,女,1970年生,博士,教授,主要从事软黏土力学、软土地基处理、非饱和土本构模型等方面的研究工作。E-mail: zjelim@zju.edu.cn
  • 基金资助:
    国家自然科学基金(No.52179112)

Application of convolution-based peridynamics in rapid simulation of random crack propagation

ZHOU Jian1, 2, LIAO Xing-chuan1, 2, LIU Fu-shen1, 2, 3, SHANG Xiao-nan1, 2, SHEN Jun-yi1, 2   

  1. 1. Research Center of Coastal and Urban Geotechnical Engineering, Zhejiang University, Hangzhou, Zhejiang 310058, China; 2. Engineering Research Center of Urban Underground Development of Zhejiang Province, Zhejiang University, Hangzhou, Zhejiang 310058, China; 3. Computing Center for Geotechnical Engineering, Zhejiang University, Hangzhou, Zhejiang 310058, China
  • Received:2024-04-22 Accepted:2024-08-06 Online:2025-02-10 Published:2025-02-11
  • Supported by:
    This work was supported by the National Natural Science Foundation of China (52179112).

摘要: 传统近场动力学方法采用积分方程替代连续介质力学中的偏微分方程,获得了对未知函数无光滑限制且更具一般性的方程,使得该方法特别适合模拟裂纹自发萌生和扩展等非连续问题,但高昂的计算成本往往限制了其在实际工程中的应用。采用一种基于快速卷积的近场动力学方法,以提高近场动力学方法的计算效率。该算法采用快速傅里叶变换来完成卷积计算,实现近场动力学方程中积分项的计算,可显著降低近场动力学的计算成本。基于快速卷积近场动力学的计算流程及其数值实现特性,提出了一套适用于该算法的前处理方法,并通过两个含预制裂纹的受拉方板算例验证了该前处理方法的可行性。在此基础上,进一步提出了随机裂纹扩展预测的建模方法,为岩土体随机裂纹扩展的预测研究提供了一个新的可行的思路。

关键词: 近场动力学, 快速卷积, 建模方法, 随机裂纹扩展预测

Abstract: The traditional peridynamics method replaces partial differential equations in continuum mechanics with integral equations, resulting in more generalized equations without smoothness restrictions on the unknown function. This makes the methodology particularly suitable for simulating discontinuous problems, such as spontaneous crack initiation and propagation. However, the high computational cost often limits its practical engineering applications. This paper introduces a fast convolution-based method for peridynamics to enhance computational efficiency. This algorithm employs fast Fourier transformation to accomplish convolution calculations, facilitating the computation of integral terms in peridynamics equations, significantly reducing the computational cost of the peridynamics method. A preprocessing method suitable for this algorithm is proposed based on the computational process and numerical implementation characteristics of the fast convolution-based method for peridynamics. Its feasibility is verified through two tensile square plate examples with pre-existing cracks. Furthermore, a modeling method for predicting random crack propagation is proposed, offering a novel approach for research in predicting random crack propagation in geomaterials.

Key words: peridynamics, fast convolution, modeling method, random crack propagation prediction

中图分类号: O 242
[1] 马鹏飞, 张艺晨, 袁超, 徐茂洲, 郭小雄, . 软弱层岩体间隔破裂现象的近场动力学方法模拟[J]. 岩土力学, 2025, 46(7): 2296-2307.
[2] 申林方, 华涛, 王志良, 李松波, 陈骞. 参数空间变异性对岩石水力压裂裂隙扩展形态的影响[J]. 岩土力学, 2025, 46(4): 1294-1302.
[3] 周建, 尚肖楠, 刘福深, 沈君逸, 廖星川, . 倾斜临空面下隧道掘进机滚刀贯入破岩研究[J]. 岩土力学, 2024, 45(S1): 705-714.
[4] 陈骞, 王志良, 申林方, 华涛, 李邵军, 徐则民, . 基于热力耦合的近场动力学方法高温岩石水力压裂数值模拟[J]. 岩土力学, 2024, 45(8): 2502-2514.
[5] 华涛, 申林方, 王志良, 李泽, 徐则民. 基于近场动力学的岩石水力压裂数值模拟及裂隙网络定量分析[J]. 岩土力学, 2024, 45(2): 612-622.
[6] 孙伟, 王睿, 张建民, . 液化诱发剪切应变局部化的近场动力学模拟[J]. 岩土力学, 2024, 45(10): 3130-3138.
[7] 周建, 尚肖楠, 刘福深, 沈君逸, 廖星川, . 利用近场动力学方法模拟隧道掘进机滚刀三维贯入破岩[J]. 岩土力学, 2023, 44(9): 2732-2743.
[8] 申浩翰, 张海, 范俊锴, 徐瑞阳, 张小明. 基于多参数拟合的EDEM岩石建模方法[J]. 岩土力学, 2021, 42(8): 2298-2310.
[9] 马鹏飞, 李树忱, 王修伟, 周慧颖, 王曼灵, 赵一民. 多孔介质渗流过程的非局部近场动力学模拟方法[J]. 岩土力学, 2021, 42(11): 3147-3156.
[10] 张钰彬, 黄丹. 页岩水力压裂过程的态型近场动力学模拟研究[J]. 岩土力学, 2019, 40(7): 2873-2881.
[11] 李铮, 郭德平, 周小平, 王允腾, . 模拟岩石中裂纹扩展连接的近场动力学方法[J]. 岩土力学, 2019, 40(12): 4711-4721.
[12] 马鹏飞, 李树忱, 周慧颖, 赵世森. 岩石材料裂纹扩展的改进近场动力学方法模拟[J]. 岩土力学, 2019, 40(10): 4111-4119.
[13] 钟 宇,陈 健,陈国良,吴佳明, . 基于建筑信息模型技术的盾构隧道结构信息模型建模方法[J]. , 2018, 39(5): 1867-1876.
[14] 朱德福,屠世浩,袁 永,马行生, 李向阳, . 破碎岩体压实特性的三维离散元数值计算方法研究[J]. , 2018, 39(3): 1047-1055.
[15] 谷新保,周小平,. 裂纹扩展和连接过程的近场动力学数值模拟[J]. , 2017, 38(2): 610-616.
Viewed
Full text


Abstract

Cited

  Shared   
  Discussed   
No Suggested Reading articles found!