一种花岗岩细观裂纹结构的数值表征方法技术

本发明专利技术为解决目前针对花岗岩数值模拟的研究不能兼顾考虑花岗岩中材料非均匀性、晶内裂纹、晶界裂纹影响的问题，提供了一种花岗岩细观裂纹结构的数值表征方法。包括以下步骤：1)、随机生成晶粒；2)、赋予晶粒材料编号；3)、随机选取若干个晶粒并裁剪其晶界，生成晶界裂纹；4)、利用数值模拟软件给裁剪后的晶粒赋予各晶粒的材料编号对应的材料模型，再通过布尔运算将裁剪后的晶粒组合生成包含晶界裂纹的花岗岩模型；5)、设定的晶内裂纹长度和取向，随机生成晶内裂纹，并分割晶粒；6)、通过草图切割的方式，根据晶内裂纹分割花岗岩模型，并赋予晶内裂纹属性。7)、建立裂纹接触模型，得到花岗岩细观裂纹宽度的数值表征。岩细观裂纹宽度的数值表征。

【技术实现步骤摘要】
一种花岗岩细观裂纹结构的数值表征方法


[0001]本专利技术属于岩土工程声波探测领域，具体涉及一种花岗岩细观裂纹结构的数值表征方法。

技术介绍

[0002]花岗岩作为一种常见的地质材料，其力学特性对地质工程、岩土爆破工程有着重要影响，而声速是其力学特性的重要体现。
[0003]花岗岩宏观上常表现为连续的、致密的岩石，但内部却包含大量微观结构。材料组成上，花岗岩内部含有石英、长石、云母等不同晶粒，在晶粒边界和晶粒内部含有大量微裂纹。不同的花岗岩，其各类晶粒含量不同，晶界裂纹和晶内裂纹的含量以及宽度亦不相同。声波在花岗岩等岩石介质中传播时，遇到裂纹等微结构时会发生透射、反射、绕射等现象，进而对宏观声速、声透射系数产生影响，这也是通过声波对岩石品质进行评价的依据。建立包含内部微裂纹的花岗岩细观数值模型，通过数值模拟的方式对声波在花岗岩中的传播机制进行深入分析，可对基于声波探测的工程质量评价提供依据。
[0004]目前的数值模拟研究常将花岗岩当做连续介质或仅考虑材料非均匀性的多晶材料处理，尚缺乏可以同时考虑花岗岩中材料非均匀性、晶内裂纹、晶界裂纹的数值建模方法。

技术实现思路

[0005]本专利技术的目的是解决目前针对花岗岩数值模拟的研究不能兼顾考虑花岗岩中材料非均匀性、晶内裂纹、晶界裂纹影响的技术问题，而提供一种花岗岩细观裂纹结构的数值表征方法。
[0006]为达到上述目的，本专利技术采用的技术方案为：
[0007]一种花岗岩细观裂纹结构的数值表征方法，其特殊之处在于，包括以下步骤：步骤1)、随机生成晶粒
[0008]在目标区域内随机布设与待生成的花岗岩晶粒数目相等的n个种子，采用泰森多边形分割法将目标区域划分成n个多边形子区域，每个多边形子区域看作一个晶粒，每个晶粒中包含1个种子，n个晶粒的序列编号分别为S1,S2,S3,
…
,S
k
…
,S
n
，n≥k≥1，且n为正整数；
[0009]步骤2)、赋予晶粒材料编号
[0010]将n个晶粒分别赋予材料编号M
i
，不同的编号代表不同的晶粒种类；其中，i＝1,2,3,...,m，m为晶粒的种类数，m≥2；
[0011]步骤3)、随机选取若干个晶粒并裁剪其晶界，生成宽度为d
deta
的晶界裂纹；
[0012]步骤4)、利用数值模拟软件前处理模块给步骤3)中裁剪后的晶粒赋予步骤2)中各晶粒的材料编号对应的材料模型，再通过布尔运算将裁剪后的晶粒组合生成包含晶界裂纹的花岗岩模型；
[0013]步骤5)、设定晶内裂纹长度和取向，在步骤3)裁剪后的晶粒中随机生成宽度为
d
inner
的晶内裂纹，利用晶内裂纹线段分割晶粒，并建立晶内裂纹集合；
[0014]步骤6)、通过草图切割的方式，根据步骤5)晶内裂纹集合中的晶内裂纹对步骤4)所得花岗岩模型进行分割，并赋予晶内裂纹在数值模拟软件中对应的裂纹属性；
[0015]步骤7)、建立裂纹接触模型，得到花岗岩细观裂纹宽度的数值表征：d
outer
＝d
inner
+d
deta
。
[0016]进一步地，步骤3)具体为：
[0017]3.1、计算晶界裂纹总长：L
outer
＝ρ
outer
×
A
granite
，其中，ρ
outer
表示晶界裂纹分布密度，A
granite
表示花岗岩模型的总面积；
[0018]3.2、随机选取任一序列编号的晶粒，对其部分晶界进行裁剪，并标记其所裁剪晶界的中点；
[0019]3.3、建立已裁剪晶界序列集合并将选取的第一个晶粒存入，同时建立已裁剪晶界的中点集合并将第一个晶粒已裁剪晶界的中点存入；
[0020]3.4、随机选取序列编号为S
k
的晶粒，判断晶粒S
k
是否在已裁剪晶粒序列集合内，若是，则执行步骤3.5；若否，则执行步骤3.6；
[0021]3.5、返回步骤3.4，重新选取晶粒；
[0022]3.6、依次判断晶粒S
k
的第1至第E
i
条晶界的中点是否在已裁剪晶界的中点集合内，其中，E
i
的数值小于等于晶粒S
k
的总边数，若是，则保留原晶界，若否，则将该晶界向内裁剪d
deta
宽度，裁剪后将晶粒S
k
存入已裁剪晶界序列集合，并将晶粒S
k
裁剪后的晶界中点存入已裁剪晶界的中点集合内；将所裁剪晶界的中心位置存入已裁剪晶界数组中，以防止同一位置处的两条晶界重复裁剪，造成晶界裂纹宽度翻倍；
[0023]3.7、计算已裁剪晶界裂纹总长度，若已裁剪晶界裂纹总长度达到设定总晶界裂纹长度L
outer
，则完成宽度为d
deta
的晶界裂纹的生成，否则，返回步骤3.4，直至已裁剪晶界裂纹总长度达到设定总晶界裂纹长度L
outer
。
[0024]进一步地，步骤5)具体为：
[0025]5.1、设定晶粒内的平均裂纹长度l
inner
、裂纹长度变化范围Δl、裂纹倾角θ和裂纹倾角变化范围Δθ，并计算晶内总裂纹长度：L
inner
＝ρ
inner
×
A
grain
，其中，ρ
inner
表示晶内裂纹分布表密度，A
grain
表示晶粒的面积；
[0026]5.2、在晶粒内随机选取一点(x
i
，y
i
)作为第一条裂纹的起点，建立晶内裂纹起点集合并将第一条裂纹的起点存入；
[0027]5.3、计算晶内第一条裂纹的长度l
c
和倾角θ
c
，l
c
＝l
inner
+α*Δl，θ
c
＝θ+β*Δθ，其中，α表示裂纹长度变化系数，
‑
0.5≤α≤0.5；β表示裂纹倾角变化系数，
‑
0.5≤β≤0.5
[0028]5.4、判断第一条裂纹的终点(x
i
+l
c
*cosθ
c
,y
i
+l
c
*sinθ
c
)是否在晶粒内，若是，则生成宽度为d
inner
的晶内裂纹，建立晶内裂纹集合并将第一条裂纹存入；若否，则返回步骤5.3，并调整α的取值，保持β的取值不变，直至终点位于晶粒内部，生成宽度为d
inner
的晶内裂纹，建立晶内裂纹集合并将第一条裂纹存入；
[0029]5.5、随机在晶粒内选取裂纹起点，判断其本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种花岗岩细观裂纹结构的数值表征方法，其特征在于，包括以下步骤：步骤1)、随机生成晶粒在目标区域内随机布设与待生成的花岗岩晶粒数目相等的n个种子，采用泰森多边形分割法将目标区域划分成n个多边形子区域，每个多边形子区域看作一个晶粒，每个晶粒中包含1个种子，n个晶粒的序列编号分别为S1,S2,S3,
…
,S
k
…
,S
n
，n≥k≥1，且n为正整数；步骤2)、赋予晶粒材料编号将n个晶粒分别赋予材料编号M
i
，不同的编号代表不同的晶粒种类；其中，i＝1,2,3,...,m，m为晶粒的种类数，m≥2；步骤3)、随机选取若干个晶粒并裁剪其晶界，生成宽度为d
deta
的晶界裂纹；步骤4)、利用数值模拟软件前处理模块给步骤3)中裁剪后的晶粒赋予步骤2)中各晶粒的材料编号对应的材料模型，再通过布尔运算将裁剪后的晶粒组合生成包含晶界裂纹的花岗岩模型；步骤5)、设定晶内裂纹长度和取向，在步骤3)裁剪后的晶粒中随机生成宽度为d
inner
的晶内裂纹，利用晶内裂纹线段分割晶粒，并建立晶内裂纹集合；步骤6)、通过草图切割的方式，根据步骤5)晶内裂纹集合中的晶内裂纹对步骤4)所得花岗岩模型进行分割，并赋予晶内裂纹在数值模拟软件中对应的裂纹属性；步骤7)、建立裂纹接触模型，得到花岗岩细观裂纹宽度的数值表征：d
outer
＝d
inner
+d
deta
。2.根据权利要求1所述的花岗岩细观裂纹结构的数值表征方法，其特征在于，步骤3)具体为：3.1、计算晶界裂纹总长：L
outer
＝ρ
outer
×
A
granite
，其中，ρ
outer
表示晶界裂纹分布密度，A
granite
表示花岗岩模型的总面积；3.2、随机选取任一序列编号的晶粒，对其部分晶界进行裁剪，并标记其所裁剪晶界的中点；3.3、建立已裁剪晶界序列集合并将选取的第一个晶粒存入，同时建立已裁剪晶界的中点集合并将第一个晶粒已裁剪晶界的中点存入；3.4、随机选取序列编号为S
k
的晶粒，判断晶粒S
k
是否在已裁剪晶粒序列集合内，若是，则执行步骤3.5；若否，则执行步骤3.6；3.5、返回步骤3.4，重新选取晶粒；3.6、依次判断晶粒S
k
的第1至第E
i
条晶界的中点是否在已裁剪晶界的中点集合内，其中，E
i
的数值小于等于晶粒S
k
的总边数，若是，则保留原晶界，若否，则将该晶界向内裁剪d
deta
宽度，裁剪后将晶粒S
k
存入已裁剪晶界序列集合，并将晶粒S
k
裁剪后的晶界中点存入已裁剪晶界的中点集合内；将所裁剪晶界的中心位置存入已裁剪晶界数组中，以防止同一位置处的两条晶界重复裁剪，造成晶界裂纹宽度翻倍；3.7、计算已裁剪晶界裂纹总长度，若已裁剪晶界裂纹总长度达到设定总晶界裂纹长度L
outer
，则完成宽度为d
deta
的晶界裂纹的生成，否则，返回步骤3.4，直至已裁剪晶界裂纹...

【专利技术属性】
技术研发人员：丁洋，卢强，李进，张向荣，何斌，
申请(专利权)人：西北核技术研究所，
类型：发明
国别省市：