CN116844679B - 一种角模压剪实验数值模拟方法 - Google Patents

一种角模压剪实验数值模拟方法 Download PDF

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Abstract

本发明属于岩土工程数值模拟领域，具体涉及一种角模压剪实验数值模拟方法。在AutoCAD中绘制角模压剪模具并导入FLAC3D，使用extrusion生成角模压剪模具网格；设置角模压剪模具网格沿Z轴方向的速度恒定；生成分界面与试样网格；设置分界面材料参数；设置试样网格本构模型及材料参数；定义FISH函数monitoring并利用其记录压缩荷载和压缩位移；定义FISH函数softening并利用其实现试样网格间分界面材料参数软化；设置向下加载的初始速度；利用时间步方式计算。本发明无需购置压力机、传感器、角模压剪模具，不涉及试样加工、打磨，没有安全隐患；且能够分析角模压剪实验过程中试样内部位移场分布规律，能够基于对微观数据的分析帮助研究人员更好地揭示试样剪切破坏机理与剪切破坏过程。

Description

一种角模压剪实验数值模拟方法
技术领域
本发明属于岩土工程数值模拟领域，具体涉及一种角模压剪实验数值模拟方法。
背景技术
角模压剪实验是岩石、水泥砂浆、混凝土等材料剪切性能测定的有效方法。与三轴压缩实验、直接剪切实验等剪切方法相比，角模压剪实验不需要围压套筒、直接剪切盒等设备。角模压剪实验只需要常规的压力机及角模压剪模具就可以完成实验，实验方法更为简单。
但角模压剪实验也存在一定缺陷。首先，角模压剪实验所需试样一般为立方体尺寸。这便需要对岩石、水泥砂浆块体、混凝土块体进行切割和加工。因此，实验开展前的试样准备工作比较繁琐。
此外，角模压剪实验获得的结果一般仅为宏观的压缩荷载与压缩位移关系曲线。因此，角模压剪实验获得的结果相对比较单一，往往无法对试样内部的位移场分布等微观结果进行分析。
最后，角模压剪实验开展过程中，被测试的岩石、水泥砂浆、混凝土等材料会发生剪切破坏。但岩石、水泥砂浆、混凝土等脆性材料在剪切破坏时可能会发生崩裂等现象。因此，该物理实验可能对实验人员产生一定安全威胁。为了避免这种安全隐患，很多实验室会采用屏蔽门等进行隔离。但屏蔽门会妨碍实验人员观看待测试样的剪切破坏过程。因此，在保证实验安全及观察待测试样的动态剪切过程方面存在一定矛盾。
为了弥补物理实验的缺陷，数值模拟作为一种高效的研究手段已经广泛应用于各行各业。与物理实验相比，数值模拟无需购置实验机、角模压剪模具等实验设备，也不需要对物理试样进行切割、打磨等工序，可操作性更强。
此外，用户在进行数值模拟时可以很方便地在试样内部布置测线并提取位移场等微观数据。因此，与物理实验相比，数值模拟便于用户分析实验过程中的位移场分布等微观结果。
最后，数值模拟采用时间步迭代方式进行计算，时间步迭代次数可由用户自行设定，灵活度较高。在迭代计算过程中，用户可根据需要自行暂停迭代计算，以观察数值模拟中试样的破坏形态及位移场分布状态。因此，数值模拟便于用户更好地分析试样的动态破坏过程。
但通过对现有文献、专利调研发现，鲜有数值模拟研究涉及角模压剪实验。因此，提出一种角模压剪实验数值模拟方法对揭示待测试样的剪切破坏机理具有重要意义。
发明内容
本发明的目的在于提供一种角模压剪实验数值模拟方法。本发明克服了角模压剪物理实验获取实验结果单一的缺陷，能更好地揭示角模压剪实验过程中待测试样的剪切破坏机理。
本发明采用如下技术方案，提供一种角模压剪实验数值模拟方法，包括如下步骤：在AutoCAD中绘制角模压剪模具平面几何图形；将AutoCAD文件导入FLAC3D中并使用extrusion功能生成上下两个三维角模压剪模具网格；将上下两个角模压剪模具网格分别命名为plate_top和plate_bottom；对角模压剪模具网格赋予弹性模型及材料参数；设置角模压剪模具网格沿Z轴方向的速度恒定；在plate_top角模压剪模具网格底面和plate_bottom角模压剪模具网格顶面上生成ID为1的分界面；在plate_bottom角模压剪模具网格上方生成试样网格且命名为bottom；在bottom试样网格顶面上生成ID为2的分界面；设置ID为1及ID为2的分界面的材料参数；在ID为2的分界面上方生成试样网格并命名为top；设置bottom试样网格和top试样网格的本构模型及材料参数，并设置大变形计算模式为false；定义FISH函数monitoring并利用其记录压缩荷载和压缩位移；定义FISH函数softening并利用其实现ID为2的分界面材料参数软化；对plate_top角模压剪模具网格设置向下加载的初始速度；利用时间步方式进行计算直至结束。
作为上述技术方案的进一步描述：
所述bottom试样网格和所述top试样网格尺寸相同，均为长方体结构，长度和宽度相等，高度为宽度的二分之一。
作为上述技术方案的进一步描述：
所述bottom试样网格和所述top试样网格在生成时均规定节点与已有网格不连接。
作为上述技术方案的进一步描述：
所述ID为1的分界面材料参数包括分界面节点剪切刚度、分界面节点法向刚度，其中分界面节点剪切刚度和分界面节点法向刚度均为500GPa。
作为上述技术方案的进一步描述：
所述ID为2的分界面材料参数包括分界面节点剪切刚度、分界面节点法向刚度、分界面节点内聚力、分界面节点初始摩擦角。
作为上述技术方案的进一步描述：
所述plate_top角模压剪模具网格、所述plate_bottom角模压剪模具网格、所述bottom试样网格、所述top试样网格的材料参数均包括杨氏模量、泊松比。
作为上述技术方案的进一步描述：
所述FISH函数monitoring逻辑结构如下：定义变量temp为零；查找节点头指针并赋值给变量gridpoints；设置循环，判断gridpoints是否为空，若不为空，则进入循环；在循环过程中，判断当前节点是否落在plate_bottom角模压剪模具网格底面上；若为是，则取出当前节点沿Z轴方向的不平衡力，将该不平衡力与temp相加后赋值给temp；gridpoints指向下一节点并再次循环；若为否，gridpoints直接指向下一节点并再次循环；当gridpoints为空时，结束循环；结束循环后，将temp赋值给变量force_z，force_z为压缩荷载；将当前时间步乘以向下加载的初始速度并赋值给变量disp_z，disp_z为压缩位移。
作为上述技术方案的进一步描述：
所述FISH函数softening逻辑结构如下：查找ID为2的分界面指针并赋值给变量interface_address；查找interface_address对应的分界面节点头指针并赋值给变量interface_node_address；设置循环，判断interface_node_address是否为空；若不为空，则进入循环；判断interface_node_address对应的节点滑移状态是否小于2；若为是，更新interface_node_address对应的分界面节点摩擦角；规定更新后的分界面节点摩擦角小于分界面节点初始摩擦角；interface_node_address指向下一个分界面节点并再次循环；若为否，interface_node_address直接指向下一个分界面节点并再次循环；当interface_node_address为空时，结束循环。
本发明的有益效果主要包括以下四个方面：
1.本发明提出了一种角模压剪实验数值模拟方法。利用本发明提出的方法，研究人员仅使用数值模拟软件便可以模拟角模压剪实验过程。整个模拟过程无需额外购置压力机、传感器、角模压剪模具等，而且不涉及对试样进行加工、打磨等工序，可操作性强。此外，由于无需开展物理实验，本发明提出的方法不涉及试样剪切崩裂等安全隐患。
2.本发明使用的工具是FLAC3D数值模拟软件。在本发明中，设计了FISH函数monitoring并可以利用其记录压缩荷载、压缩位移，从而能够对比数值模拟结果和物理实验结果。此外，利用FLAC3D数值模拟软件能够在试样内部布置测线并提取试样内部位移场分布，从而能够分析角模压剪实验过程中试样内部位移场分布规律。这能弥补角模压剪物理实验仅能获得压缩荷载、压缩位移等宏观结果的缺陷。从而能够基于对微观数据的分析，帮助研究人员更好地揭示待测试样剪切破坏机理。
3.本发明使用的FLAC3D是基于时间步迭代的方式进行计算。在计算过程中，用户可根据需求，自行暂停迭代计算并查看数值模拟中待测试样的破坏形态。这有助于研究人员动态地分析待测试样的剪切破坏过程。
4.本发明设计了FISH函数softening。利用该FISH函数softening，用户可根据需要自行设定待测试样剪切破坏后，破坏面摩擦角软化衰减情况。从而能够基于软化衰减后的摩擦角，模拟待测试样剪切破坏后峰后荷载衰减的力学行为。这克服了FLAC3D原始的分界面无法模拟破坏面峰后破坏行为的缺陷。
附图说明
构成本发明的一部分附图用来提供对本发明的进一步理解，并不构成对本发明的不当限定。在附图中：
图1是本发明所述FISH函数monitoring的逻辑结构图；
图2是本发明所述FISH函数softening的逻辑结构图；
图3是本发明所述角模压剪模具网格及待测试样网格几何形态图；
图4是本发明所述分界面几何形态图；
图5是本发明数值模拟结果与物理实验结果对比图；
图6是本发明从自试样左端点至右端点的测线提取的水平位移分布图；
图7是本发明从自试样左端点至右端点的测线提取的铅直位移分布图；
图8是本发明从自试样顶端至试样底端的测线提取的水平位移分布图；
图9是本发明从自试样顶端至试样底端的测线提取的铅直位移分布图。
具体实施方式
本发明提供一种角模压剪实验数值模拟方法，包括如下步骤：在AutoCAD中绘制角模压剪模具平面几何图形；将AutoCAD文件导入FLAC3D中并使用extrusion功能向第三维方向（Y轴方向）拉伸以生成上下两个三维的角模压剪模具网格用于模拟压剪模具；将上下两个角模压剪模具网格分别命名为plate_top和plate_bottom；对角模压剪模具网格赋予弹性模型及材料参数；设置角模压剪模具网格沿Z轴方向的速度恒定；在plate_top角模压剪模具网格底面和plate_bottom角模压剪模具网格顶面上生成ID为1的分界面；在plate_bottom角模压剪模具网格上方生成试样网格且命名为bottom；在bottom试样网格顶面上生成ID为2的分界面；设置ID为1及ID为2的分界面的材料参数；在ID为2的分界面上方生成试样网格并命名为top；设置bottom试样网格和top试样网格的本构模型及材料参数，并设置大变形计算模式为false；定义FISH函数monitoring并利用其记录压缩荷载和压缩位移；定义FISH函数softening并利用其实现ID为2的分界面材料参数软化；对plate_top角模压剪模具网格设置向下加载的初始速度；利用时间步方式进行计算直至结束。
在一具体实施例中：
所述bottom试样网格和所述top试样网格尺寸相同，均为长方体结构，长度和宽度相等，高度为宽度的二分之一。
在一具体实施例中：
所述bottom试样网格和所述top试样网格在生成时均规定节点与已有网格不连接。
在一具体实施例中：
所述ID为1的分界面材料参数包括分界面节点剪切刚度、分界面节点法向刚度，其中分界面节点剪切刚度和分界面节点法向刚度均为500GPa。
在一具体实施例中：
所述ID为2的分界面材料参数包括分界面节点剪切刚度、分界面节点法向刚度、分界面节点内聚力、分界面节点初始摩擦角。
在一具体实施例中：
所述plate_top角模压剪模具网格、所述plate_bottom角模压剪模具网格、所述bottom试样网格、所述top试样网格的材料参数均包括杨氏模量、泊松比。
在一具体实施例中：
所述FISH函数monitoring逻辑结构如下：定义变量temp为零；查找节点头指针并赋值给变量gridpoints；设置循环，判断gridpoints是否为空，若不为空，则进入循环；在循环过程中，判断当前节点是否落在plate_bottom角模压剪模具网格底面上；若为是，则取出当前节点沿Z轴方向的不平衡力，将该不平衡力与temp相加后赋值给temp；gridpoints指向下一节点并再次循环；若为否，gridpoints直接指向下一节点并再次循环；当gridpoints为空时，结束循环；结束循环后，将temp赋值给变量force_z，force_z为压缩荷载；将当前时间步乘以向下加载的初始速度并赋值给变量disp_z，disp_z为压缩位移。
在一具体实施例中：
所述FISH函数softening逻辑结构如下：查找ID为2的分界面指针并赋值给变量interface_address；查找interface_address对应的分界面节点头指针并赋值给变量interface_node_address；设置循环，判断interface_node_address是否为空；若不为空，则进入循环；判断interface_node_address对应的节点滑移状态是否小于2；若为是，更新interface_node_address对应的分界面节点摩擦角；规定更新后的分界面节点摩擦角小于分界面节点初始摩擦角；interface_node_address指向下一个分界面节点并再次循环；若为否，interface_node_address直接指向下一个分界面节点并再次循环；当interface_node_address为空时，结束循环。
为了检验本发明的有效性，以“一种剪切模具的设计及其教学应用”（陈见行，《实验技术与管理》，2022年11月，第39卷第11期，第56-60页）论文中开展的角模压剪物理实验为例进行模拟。该论文设计了倾角为38°的角模压剪模具并开展了室内角模压剪实验。
采用本发明提出的数值模拟方法模拟上述论文中的角模压剪实验过程。首先在AutoCAD中绘制倾角为38°的角模压剪模具几何图形。随后将AutoCAD文件导入FLAC3D中并使用extrusion功能生成上下两个角模压剪模具网格。将上下两个角模压剪模具网格分别命名为plate_top和plate_bottom。对角模压剪模具网格赋予弹性模型及材料参数，材料参数中的杨氏模量为200GPa，泊松比为0.2。设置角模压剪模具网格沿Z轴方向速度恒定。在plate_top角模压剪模具网格底面和plate_bottom角模压剪模具网格顶面上生成ID为1的分界面。在plate_bottom角模压剪模具网格上方生成试样网格且命名为bottom。bottom试样网格为长方体结构，长度和宽度均为50mm，高度为25mm。
在bottom试样网格顶面上生成ID为2的分界面。设置ID为1的分界面材料参数，其中分界面节点剪切刚度和分界面节点法向刚度均为500GPa。设置ID为2的分界面材料参数，其中分界面节点剪切刚度为500GPa、分界面节点法向刚度为500GPa、分界面节点内聚力为39MPa、分界面节点初始摩擦角为35°。在ID为2的分界面上方生成网格并命名为top。top试样网格尺寸与所述bottom试样网格尺寸相同。所述bottom试样网格和所述top试样网格在生成时均规定节点与已有网格不连接。
设置bottom试样网格和top试样网格本构模型为弹性模型。设置bottom试样网格和top试样网格的材料参数，其中杨氏模量为15GPa，泊松比为0.2，设置大变形计算模式为false。
定义FISH函数monitoring，其逻辑结构如图1所示，利用FISH函数monitoring记录压缩荷载、压缩位移。
定义FISH函数softening，其逻辑结构如图2所示。在FISH函数softening中，规定ID为2的分界面剪切破坏后分界面节点摩擦角下降至32°。利用FISH函数softening实现ID为2的分界面节点摩擦角软化。
对plate_top角模压剪模具网格设置向下加载的初始速度，大小为1×10-6m/s。设定时间步数为11000并利用时间步方式进行计算至结束。
在计算过程中，角模压剪模具网格及试样网格几何形态如图3所示。该图中箭头方向即为位移场分布趋势。可以看出上部角模压剪模具在向下运动的同时，有明显向右运动的趋势。这与物理实验中上部角模压剪模具水平向右滑动趋势一致。此外，在数值模拟中，下部角模压剪模具水平向左滑动。这与物理实验中下部角模压剪模具水平向左滑动趋势一致。上下两个角模压剪模具运动趋势与物理实验中角模压剪模具运动趋势一致，反映了数值模拟结果的有效性。
在数值模拟中设置的分界面几何形态如图4所示。计算结束后，将数值模拟中提取到的压缩荷载、压缩位移关系曲线与物理实验中压缩荷载、压缩位移关系曲线对比，如图5所示。数值模拟结果与物理实验结果整体趋势及峰值荷载均高度一致，再次检验了数值模拟结果的准确性。此外，在数值模拟中，压缩荷载达到峰值后，承载能力逐渐下降且下降趋势与物理实验结果一致。这说明本发明设置的FISH函数softening有效降低了试样的抗剪能力。
与物理实验相比，本发明除了获得压缩荷载、压缩位移关系曲线这一宏观数据之外，还可以探究试样内部位移场分布规律。例如，可以在试样内部布置一条从左端点至右端点的测线，如图6中的虚线所示。利用该测线，可以提取试样内部沿水平方向(X轴方向)位移数据和沿铅直方向(Z轴方向)位移数据，分别如图6和图7所示。可以看出，试样左侧部分有向左下运动的趋势，右侧部分有向右下运动的趋势。试样左侧部分和试样右侧部分运动趋势不同，造成试样沿着ID为2的分界面方向发生剪切错动。
同理，可以在试样顶端至试样底端之间布置一条测线，如图8中的虚线所示。利用该测线可以提取试样内部沿水平方向(X轴方向)位移数据和沿铅直方向(Z轴方向)位移数据，分别如图8和图9所示。试样顶端有向右下方向运动的趋势，试样底端有向左下方向运动的趋势。试样底端向下运动的位移量明显大于试样顶端向下运动的位移量。所以，在水平方向上，试样顶端和试样底端运动趋势相反。在铅直方向上，试样顶端和试样底端虽然运动趋势相同，但试样底端位移量明显大于试样顶端位移量。这导致试样在受剪过程中，整体产生沿顺时针方向转动的趋势。这与图3中位移场分布趋势(箭头指示方向)一致，在揭示试样剪切破坏机理的同时，再次检验了数值模拟结果的有效性。
本发明不局限于上述最佳实施方式，任何人在本发明的启示下都可得出其它各种形式的产品，但不论在其形状或结构上作任何变化，凡是具有与本申请相同或相近似的技术方案，均落在本发明的保护范围之内。

Claims (3)

1.一种角模压剪实验数值模拟方法，包括如下步骤：在AutoCAD中绘制角模压剪模具平面几何图形；将AutoCAD文件导入FLAC3D中并使用extrusion功能生成上下两个三维角模压剪模具网格；将上下两个角模压剪模具网格分别命名为plate_top和plate_bottom；对角模压剪模具网格赋予弹性模型及材料参数；设置角模压剪模具网格沿Z轴方向的速度恒定；在plate_top角模压剪模具网格底面和plate_bottom角模压剪模具网格顶面上生成ID为1的分界面；在plate_bottom角模压剪模具网格上方生成试样网格且命名为bottom；在bottom试样网格顶面上生成ID为2的分界面；设置ID为1及ID为2的分界面的材料参数；在ID为2的分界面上方生成试样网格并命名为top；设置bottom试样网格和top试样网格的本构模型及材料参数，并设置大变形计算模式为false；定义FISH函数monitoring并利用其记录压缩荷载和压缩位移；定义FISH函数softening并利用其实现ID为2的分界面材料参数软化；对plate_top角模压剪模具网格设置向下加载的初始速度；利用时间步方式进行计算直至结束；
所述FISH函数monitoring逻辑结构如下：定义变量temp为零；查找节点头指针并赋值给变量gridpoints；设置循环，判断gridpoints是否为空，若不为空，则进入循环；在循环过程中，判断当前节点是否落在plate_bottom角模压剪模具网格底面上；若为是，则取出当前节点沿Z轴方向的不平衡力，将该不平衡力与temp相加后赋值给temp；gridpoints指向下一节点并再次循环；若为否，gridpoints直接指向下一节点并再次循环；当gridpoints为空时，结束循环；结束循环后，将temp赋值给变量force_z，force_z为压缩荷载；将当前时间步乘以向下加载的初始速度并赋值给变量disp_z，disp_z为压缩位移；
所述FISH函数softening逻辑结构如下：查找ID为2的分界面指针并赋值给变量interface_address；查找interface_address对应的分界面节点头指针并赋值给变量interface_node_address；设置循环，判断interface_node_address是否为空；若不为空，则进入循环；判断interface_node_address对应的节点滑移状态是否小于2；若为是，更新interface_node_address对应的分界面节点摩擦角；规定更新后的分界面节点摩擦角小于分界面节点初始摩擦角；interface_node_address指向下一个分界面节点并再次循环；若为否，interface_node_address直接指向下一个分界面节点并再次循环；当interface_node_address为空时，结束循环；
所述ID为1的分界面材料参数包括分界面节点剪切刚度、分界面节点法向刚度，其中分界面节点剪切刚度和分界面节点法向刚度均为500GPa；
所述ID为2的分界面材料参数包括分界面节点剪切刚度、分界面节点法向刚度、分界面节点内聚力、分界面节点初始摩擦角；
所述plate_top角模压剪模具网格、所述plate_bottom角模压剪模具网格、所述bottom试样网格、所述top试样网格的材料参数均包括杨氏模量、泊松比。
2.根据权利要求1所述的角模压剪实验数值模拟方法，其特征在于，所述bottom试样网格和所述top试样网格尺寸相同，均为长方体结构，长度和宽度相等，高度为宽度的二分之一。
3.根据权利要求1所述的角模压剪实验数值模拟方法，其特征在于，所述bottom试样网格和所述top试样网格在生成时均规定节点与已有网格不连接。
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