本发明专利技术涉及数值仿真技术领域，具体涉及一种材料变形破裂的力学各向异性晶格弹簧模型(M‑ALSM)仿真方法，包括离散介质为晶格颗粒和弹簧键构建仿真模型，并初始化数据结构；计算和配置仿真模型物理参数、本构参数和边界条件；循环求解仿真模型，包括计算位移和应变、累积变形和内力、判别失效并记录断裂；实施结束条件判断并继续或终止仿真模型循环求解。相比现有晶格弹簧模型，本发明专利技术克服了非耦合刚度矩阵表达层状岩石复杂各向异性变形不准确的问题，利用两种不同方法严格推导了弹簧刚度与介质宏观弹性常数匹配的关系式，消除了描述不同材料泊松比多样性的可用泊松比分布的局限性，实现了层状岩石层理和基体的拉伸和剪切破坏的统一描述。
【技术实现步骤摘要】
本专利技术涉及数值仿真，尤其涉及一种材料变形破裂的力学各向异性晶格弹簧模型(m-alsm，mechanical anisotropic lattice spring model)仿真方法；
技术介绍
1、基于传统连续介质力学的方法如有限元法(fem)、有限差分法(fdm)、有限体积法(fvm)等已在描述固体材料变形、流体流动、介质传热及多物理场耦合问题等方面获得了巨大的成功，但在描述固体材料破裂问题方面仍面临着困难。作为基于传统连续介质力学的方法的有效替代，晶格模型(lm,lattice model)已被用于描述固体材料的变形破裂、介质传热和渗流等问题。
2、晶格模型的起源可以追溯到hrennikoff(hrennikoff,1941)开发的模拟二维弹性连续体的网格模型。晶格模型的创立初衷是通过节点连接的格构单元模拟等效连续体，如图1(a)所示。随着应用需求的不断拓展，这一思想逐渐演化为采用弹簧键连接晶格颗粒，形成类似于颗粒离散元中粘结颗粒模型(bpm)(potyondy and cundall,2004)的颗粒弹簧系统，以模拟等效连续体，如图1(b)所示。这一思想分支诞生了现今在岩石破裂模拟领域应用最为广泛的晶格模型——晶格弹簧模型(lsm,lattice spring model)，也有学者称之为弹簧网络模型(snm,spring network model)(rasmussen et al.,2018；rasmussen,2021a,2022a；rasmussen and de assis,2018)。
3、晶格弹簧模型融合了颗粒离散元中粘结颗粒模型的主要特性，能够在一个统一的框架下自然地模拟材料的变形、断裂和破碎行为，近年来在岩石破裂行为的数值研究中获得了长足发展(fu et al.,2022；li and zhao,2021；nikolic et al.,2018；omori etal.,2011；ostoja-starzewski,2002；rasmussen,2021a,2022a；rasmussen and de assis,2018；zhao,2017；zhao et al.,2019；zhou et al.,2021)，在层状岩石破裂模拟领域也得到了应用。尽管现有晶格弹簧模型在模拟层状岩石破裂问题方面展现出了巨大的潜力，但仍然存在一些缺陷，主要体现在以下几个方面：(1)非耦合刚度矩阵表达层状岩石复杂各向异性变形不准确；(2)确保弹簧刚度与介质宏观弹性常数匹配的关系式推导不严格；(3)描述不同材料泊松比多样性的可用泊松比分布存在局限性；(4)表示层状岩石层理和基体破坏的强度准则不统一。
4、(1)非耦合刚度矩阵表达层状岩石复杂各向异性变形不准确
5、层状岩石中的复杂各向异性变形需要由式(a)中的刚度矩阵来表达(enayatpouret al.,2018b；尹et al.,2005)。
6、
7、在现有的晶格弹簧模型中，为粒子传递相互作用力的弹簧主要包含三种类型(nikolic et al.,2018；omori et al.,2011)，分别为法向弹簧、切向弹簧和旋转弹簧，如图2所示。
8、最简单的模型仅包含法向弹簧，最常用的至少包含三种类型弹簧中的两种。然而，在晶格模型中使用旋转弹簧存在争议，cusatis等人(cusatis et al.,2003)指出，梁的弯曲不是微观结构中的物理现象的特征。如果不考虑旋转弹簧，则晶格弹簧模型中的弹簧刚度矩阵可以表示为式(b)中的对角矩阵，弹簧刚度之间都是非耦合的。弹簧刚度耦合效应的缺失导致晶格弹簧模型不能准确表达层状岩石中的复杂各向异性变形。大多数现有晶格弹簧模型都假面向各向同性问题开发，这也在一定程度上限制了它们在准确表达层状岩石复杂各向异性变形的能力。
9、
10、此外，颗粒尺度上的弹性响应异质性是现有晶格弹簧模型无法准确描述层状岩石中复杂各向异性变形的一个重要原因。当晶格模型中的颗粒尺寸大于实际岩石晶粒或内部长度尺度时，会导致接触应变和应力分散的过度预测，即使在均匀的宏观应变(或应力)状态下，接触应变和应力的异质性也可能显著。这种行为将导致在各向异性(甚至全压缩)应力状态下对材料强度的显著低估，以及通常过度和弥散的裂纹(damjanac et al.,2016)。
11、(2)确保弹簧刚度与介质宏观弹性常数匹配的关系式推导不严格
12、晶格弹簧模型的一个显著特征是其能够直接将弹簧刚度与介质的宏观弹性常数(如弹性模量、泊松比等)进行匹配，从而避免了类似颗粒离散元模型中确定弹簧刚度参数所需的复杂标定过程。在晶格弹簧模型中，将弹簧刚度与介质的宏观弹性常数进行匹配的方法主要有两种：第一种方法是利用介质的宏观弹性常数，结合弹簧长度和横截面积进行近似估计(ibrahimbegovic and delaplace,2003；nikolic et al.,2015；nikolic andibrahimbegovic,2015；vassaux et al.,2016,2015)，如图3(a)所示；第二种方法是基于介质弹性应变能等效的关系推导(chen et al.,2016；griffiths and mustoe,2001；liu andliu,2006；zhao et al.,2011)，如图3(b)所示。在一些特定情况下(如规则晶格弹簧模型)，这两种方法将会统一到一起(nikolic et al.,2018)。然而，第一种方法缺乏理论推导，第二种方法虽然经过了一定的理论推导，但推导过程并不严格，因为剪应力互等条件未被纳入到推导过程中。
13、(3)描述不同材料泊松比多样性的可用泊松比分布存在局限性
14、晶格弹簧模型的可用泊松比分布通常存在一定限制，如仅使用法向弹簧的晶格弹簧模型，在粒子数量趋于无穷时的泊松比趋近于一个固定值，即三维情况下为0.25，二维情况下为1/3。这种限制一般通过引入切向弹簧提供额外相互作用力来克服，也有学者通过引入旋转弹簧甚至用梁代替传统弹簧解决上述问题(nikolic et al.,2018；omori et al.,2011)。然而，cusatis等人(cusatis et al.,2003)指出，梁的弯曲不是微观结构中的物理现象的特征，研究者们试图在不引入旋转自由度的情况下克服晶格弹簧模型泊松比的限制。如zhao等人(zhao,2010,2017；zhao et al.,2011)通过分别引入切向弹簧和四维弹簧提供额外相互作用克服固定泊松比的限制，开发了离散晶格弹簧模型(dlsm)和四维离散晶格弹簧模型(4d-dlsm)。尽管如此，晶格弹簧模型的可用泊松比范围依然有限。为了进一步扩大可用泊松比分布的范围，mariotti(mariotti,2007)通过局部粒子应变估计弹簧变形，zhao等人(zhao,2010；zhao et al.,2011)也采用了类似的方法，两者区别在于采用了不同的局部粒子应变计算方式。asahina本文档来自技高网
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【技术保护点】
1.一种材料变形破裂的力学各向异性晶格弹簧模型仿真方法，其特征在于，包括以下步骤：
2.如权利要求1所述的材料变形破裂的力学各向异性晶格弹簧模型仿真方法，其特征在于，
3.如权利要求1所述的材料变形破裂的力学各向异性晶格弹簧模型仿真方法，其特征在于，
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【技术特征摘要】
1.一种材料变形破裂的力学各向异性晶格弹簧模型仿真方法，其特征在于，包括以下步骤：
2.如权利要求1所述的材料变形破裂的力学各向异性晶格弹簧模型仿真方法，其特征在于，
3.如权利要求1所述的材料变形破裂的力学各...
【专利技术属性】
技术研发人员：孙伟宸，谢强，吴恺，曹智淋，傅翔，班宇鑫，
申请(专利权)人：重庆大学，
类型：发明
国别省市：
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