一种基于FEM-DEM联合仿真的岩石爆破全过程模拟方法技术

本发明专利技术公开了一种基于FEM

【技术实现步骤摘要】
一种基于FEM
‑
DEM联合仿真的岩石爆破全过程模拟方法


[0001]本专利技术涉及岩土工程爆破数值模拟
，具体为一种基于FEM
‑
DEM联合仿真的岩石爆破全过程模拟方法。

技术介绍

[0002]钻孔爆破因其经济高效等优点，目前仍是我国水电施工、矿山开采、交通运输工程中最为常用的施工方法。在实施爆破之前，工程人员往往采用数值模拟方法初步预测爆破效果，可见，数值模拟结果在一定程度上可以指导现场的爆破方案。因此，有必要寻求一种较准确模拟岩石爆破的方法。
[0003]在岩石爆破中，目前主要的数值模拟方法有3类：一种是连续介质方法，如有限元和有限差分等方法；一种是非连续介质方法，如离散元和DDA等方法；还有一种是连续
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非连续方法，如SPH
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FEM等方法。
[0004]其中，连续介质方法如有限元法(FEM)是一种求解偏微分方程边值问题近似解的数值技术，求解时对整个问题域进行分解，每个子区域都成为简单的部分。以LS
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DYNA软件在爆炸领域应用为例，在软件中建立炸药单元，定义炸药参数和状态方程，并通过流固耦合算法实现炸药
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岩石的荷载传递，可以很好地模拟炸药起爆的爆破效果，如孔壁荷载、损伤和振动响应等。由于炸药爆炸是一种复杂的瞬态物理、化学反应，若想得到较准确的计算结果，对炮孔周围网格质量要求较高，进而造成模型网格较多，其计算时间较长。另外，FEM软件难以模拟岩石爆破的破碎、抛掷以及爆堆形态。r/>[0005]非连续介质方法如离散元法(DEM)是20世纪70年代由Cundall首先提出来的，起源于分子动力学，是为研究岩体等非连续介质的力学行为而发展起来的一种数值方法。在岩石爆破模拟方面，DEM软件常常被应用于的破碎、抛掷以及爆堆形态，其大致步骤主要是：首先，将爆源荷载简化为函数；再基于理论或经验公式，计算出粉碎区边界上的荷载；最后，将其施加至DEM模型粉碎区边界上。可知，DEM软件无法模拟炸药的爆轰过程，而往往通过在模型中施加简化荷载进行计算，其计算的准确性和可靠性难以保证。
[0006]现有的连续
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非连续耦合方法中，对于模型中网格和接触面的设置均较为复杂，其计算时间较长，效率偏低。
[0007]综上所述，现有技术中对于岩石爆破的模拟，主要通过连续介质方法、非连续介质方法和连续
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非连续耦合方法，但是三种方法均存在一定的缺点，导致数值模拟预测精度或计算效率较低，难以投入到实际的工程应用之中。

技术实现思路

[0008]为了克服现有数值模拟技术预测精度或计算效率低以及模拟方法的局限性，本专利技术提供了一种基于FEM
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DEM联合仿真的岩石爆破全过程数值方法；该方法综合了FEM软件(本专利技术采用LS
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DYNA软件)与DEM软件(本专利技术采用3DEC软件)各自的优点，改变了以往仅使用FEM或DEM软件模拟岩石爆破的局限性，结合了FEM软件模拟爆破动力响应和DEM软件模拟
爆破抛掷情况及爆堆形态的各自优势，提出一种基于FEM
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DEM联合仿真的岩石爆破全过程模拟方法，不仅能够模拟岩石爆破全过程，而且提升了数值模拟的预测精度，还进一步提高了计算效率。总体上，本专利技术具有较高的实用性和信息化水平，能够应用于工程实际中。
[0009]本专利技术提出的一种基于FEM
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DEM联合仿真的岩石爆破全过程模拟方法，包括以下步骤：
[0010]基于有限元法和实际各段别炮孔爆破参数和装药结构，建立有限元模型；
[0011]设置有限元模型的无反射边界和对称边界，并确定有限元模型中的炸药和空气参数及状态方程、岩石的本构模型和物理力学参数；
[0012]求解有限元模型，模拟炸药爆轰过程，获取各段别炮孔的孔壁压力荷载时程曲线和粉碎区边界压力荷载时程曲线，以及岩石爆破损伤分布和振动情况；
[0013]基于离散元法和实际工程形状、尺寸和岩体类型，建立离散元模型；
[0014]设置离散元模型中的围岩本构模型及物理力学参数和炮孔布置参数；
[0015]将有限元模型输出的各段别炮孔粉碎区边界荷载时程曲线分别施加至离散元模型各段别粉碎区边界，设置离散元模型的粘滞边界和固定边界，对离散元模型进行爆破动力响应分析，获取岩石爆破抛掷形态和爆破效果。
[0016]进一步的，所述有限元模型的建立是利用LS
‑
DYNA软件；
[0017]所述离散元模型的建立是利用3DEC软件。
[0018]进一步的，通过现场或实验室获取实际各段别炮孔爆破参数、装药结构、实际工程形状、尺寸和岩体类型。
[0019]进一步的，岩土物理力学参数包括：密度ρ、弹性模量e、剪切模量G、泊松比ν、粘聚力c、内摩擦角μ、抗拉强度T
e
、节理的切向和法向刚度比K
s
/K
n
。
[0020]进一步的，所述获取各段别炮孔的孔壁压力荷载时程曲线和粉碎区边界压力荷载时程曲线，具体包括：
[0021]求解有限元模型，得到各段别炮孔的爆炸荷载压力时程曲线和粉碎区爆炸荷载压力时程曲线，将孔壁压力荷载峰值和粉碎区压力荷载峰值与理论计算值进行对较，当孔壁压力荷载峰值和粉碎区压力荷载峰值与理论计算值的相对误差小于10％，则判定爆炸荷载压力曲线的荷载峰值符合理论公式；
[0022]其中，炮孔的孔壁荷载峰值理论计算公式为：
[0023][0024]式中：P0为炮孔的爆炸荷载压力，ρ0为炸药密度，D为炸药爆轰速度，x为爆炸压力与起爆点的距离，l为药卷长度；
[0025]粉碎区外边界上径向应力峰值与距离的关系可表示为：
[0026][0027]式中：P
b
为粉碎区荷载压力，P0为炮孔壁的爆炸荷载压力，r
c
为粉碎区半径，r0为炮孔半径，α为衰减指数。
[0028]进一步的，在对离散元模型进行爆破动力响应分析前，基于哈里斯爆破理论对离散元模型不同部位的网格尺寸进行预处理，使岩石爆破结果更符合实际；
[0029]其中，根据哈里斯爆破理论，半径为r的球形装药上，距球心为R的任意一点上的切应变为：
[0030][0031]式中：β为应变波吸收系数；K为炮孔壁上的应变；
[0032]炮孔壁上的应变K计算公式为：
[0033][0034]式中：P0为爆压；ρ为岩石的密度；v
p
为岩石纵波声速；μ为泊松比；γ为绝热指数。
[0035]在压缩应力波作用下岩石作径向位移，由径向位移衍生的切向应变值ε超过岩石的动态极限抗拉应变值T时，岩石形成径向裂缝；距炮孔距离为R处的径向裂缝的条数为：
[0036][0037]设定破碎岩块的最大尺寸为两条最靠近的径向裂缝之间的距离，岩块的长L为：
[0038][0039]因本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种基于FEM
‑
DEM联合仿真的岩石爆破全过程模拟方法，其特征在于，包括以下步骤：基于有限元法和实际各段别炮孔爆破参数和装药结构，建立有限元模型；设置有限元模型的无反射边界和对称边界，并确定有限元模型中的炸药和空气参数及状态方程、岩石的本构模型和物理力学参数；求解有限元模型，模拟炸药爆轰过程，获取各段别炮孔的孔壁压力荷载时程曲线和粉碎区边界压力荷载时程曲线，以及岩石爆破损伤分布和振动情况；基于离散元法和实际工程形状、尺寸和岩体类型，建立离散元模型；设置离散元模型中的围岩本构模型及物理力学参数、炮孔布置参数；将有限元模型输出的各段别粉碎区边界荷载时程曲线分别施加至离散元模型各段别粉碎区边界，设置离散元模型的粘滞边界和固定边界，对离散元模型进行爆破动力响应分析，获取岩石爆破抛掷形态和爆破效果。2.如权利要求1所述的一种基于FEM
‑
DEM联合仿真的岩石爆破全过程模拟方法，其特征在于：所述有限元模型的建立是利用LS
‑
DYNA软件；所述离散元模型的建立是利用3DEC软件。3.如权利要求1所述的一种基于FEM
‑
DEM联合仿真的岩石爆破全过程模拟方法，其特征在于：通过现场或实验室获取实际各段别炮孔爆破参数、装药结构、实际工程形状、尺寸和岩体类型。4.如权利要求1所述的一种基于FEM
‑
DEM联合仿真的岩石爆破全过程模拟方法，其特征在于：岩土物理力学参数包括：密度ρ、弹性模量e、剪切模量G、泊松比ν、粘聚力c、内摩擦角μ、抗拉强度T
e
、节理的切向和法向刚度比K
s
/K
n
。5.如权利要求1所述的一种基于FEM
‑
DEM联合仿真的岩石爆破全过程模拟方法，其特征在于，所述获取各段别炮孔的孔壁压力荷载时程曲线和粉碎区边界压力荷载时程曲线，具体包括：求解有限元模型，得到各段别炮孔孔壁的爆炸荷载压力时程曲线和粉碎区爆炸荷载压力时程曲线，将孔壁压力荷载峰值和粉碎区压力荷载峰值与理论计算值进行对较，当孔壁压力荷载峰值和粉碎区压力荷载峰值与理论计算值的相对误差小于10％，则判定爆炸荷载压力曲线的荷载峰值符合理论公式；...

【专利技术属性】
技术研发人员：高启栋，江伟，杨庆，王亚琼，杨招伟，周海孝，杨御博，
申请(专利权)人：长安大学，
类型：发明
国别省市：