【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水力耦合各向异性晶格弹簧模型(hm-alsm，hydro-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,2
3、通过在晶格颗粒和弹簧键组成的系统上分别配置储流器和渗流管可以构建水力耦合晶格弹簧模型。水力耦合晶格弹簧模型通过交替求解渗流连续性方程、运动方程、达西渗流方程以及力-位移方程模拟介质中的水力耦合问题，包括瞬态渗流、储流以及渗流效应导致的变形和力的发展过程。在模型中，介质渗流对变形的影响通过晶格颗粒的胀缩或弹簧键的变形进行模拟，而介质变形对渗流的影响则自然地融入到水力耦合计算过程中。
4、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：
5、(1)各向同性渗透率表达层状岩石复杂各向异性渗流不准确；
6、(2)用于考虑介质变形对渗透率影响的渗流管孔径的经验公式不完善；
7、(3)描述各向异性渗流的渗流管孔径与介质宏观渗透率的关系未建立；
8、在使用水力耦合晶格弹簧模型模拟实际介质时，通常需要通过多根渗流管的孔径以特定方式组合来表示介质的宏观渗透性，这就涉及到渗流管孔径与介质宏观渗透性之间的匹配问题。常见的解决方法是利用数值模型模拟标准物理渗透试验，通过不断调整渗流管的孔径，使数值模型展现的宏观渗透率与实际介质的宏观渗透率保持一致，从而获得一组有效的渗流管孔径值。这一过程也被称为渗流管孔径的标定。然而，完成这个过程通常需要进行大量的计算尝试，容易导致时间和计算资源的浪费，这对数值模型的应用造成了一定的困扰。在各向异性介质的模拟中，上述问题更为突出，其根本原因在于尚未建立描述各向异性渗流的渗流管孔径与介质宏观渗透率之间的关系。
技术实现思路
1、本专利技术的目的在于提供一种材料变形破裂的水力耦合各向异性晶格弹簧模型(hm-alsm，hydro-mechanical anisotropic lattice spring model)仿真方法，旨在解决现有晶格弹簧模型在模拟层状岩石水力耦合破裂问题方面面临的诸多问题。
2、为实现上述目的，本专利技术提供了一种材料变形破裂的水力耦合各向异性晶格弹簧模型(hm-alsm，hydro-mechanical anisotropic lattice spring model)仿真方法，包括以下步骤：
3、离散介质为晶格颗粒和弹簧键且对偶配置储流器和渗流管构建仿真模型，并初始化数据结构；
4、计算和配置所述仿真模型物理参数、本构参数和边界条件；
5、循环求解所述仿真模型；
6、实施结束条件判断并继续或终止所述仿真模型循环求解。
7、其中，所述构建仿真模型包括使用delaunay三角剖分构建弹簧键网并使用对偶的voronoi图构建晶格颗粒集，同时分别配置渗流管网和储流器集；
8、所述初始化数据结构包括初始化弹簧键与其两端晶格颗粒的链表数据结构、初始化晶格颗粒与其周围弹簧键的链表数据结构、初始化渗流管与其两端储流器的链表数据结构、初始化储流器与其周围渗流管的链表数据结构、以及初始化储流器与晶格颗粒、渗流管与弹簧键的关联数据结构；
9、所述晶格颗粒具有不同的尺寸、形状和质量，并由零质量的弹簧键连接发生相互作用；所述储流器具有与对应delaunay三角形相同的尺寸和形状，且具有独立的孔隙率和流体体积模量，并由与弹簧键对应的渗流管连接发生相互作用；所述储流器状态与晶格颗粒位置关联，晶格颗粒运动则储流器体积发生变化。
10、所述弹簧键由三根弹簧组成，三根弹簧分别为法向弹簧、切向弹簧和法向-切向耦合弹簧，每根弹簧都有其独立的刚度，所述弹簧键具有强度，当受力超过设定强度时发生断裂；所述渗流管由一根一维管道表示，每根渗流管都有其独立的孔径；所述渗流管孔径与晶格颗粒位置关联，晶格颗粒运动则渗流管孔径发生变化。
11、其中，所述物理参数包括晶格颗粒的密度和阻尼、储流器的孔隙率和流体体积模量、渗流管的孔径，所述本构参数包括弹簧键的刚度参数和强度参数，所述边界条件包括晶格颗粒的体力和速度、弹簧键的预变形和预内力、储流器的初始孔隙率、压力或流量、渗流管的流量；
12、所述渗流管的孔径由渗流管的孔径与介质的宏观渗透率之间的关系转换并叠加计算，如式(1)和式(2)所示；
13、
14、水力耦合各向异性晶格弹簧模型中渗流管的孔径参数由渗流管的孔径与介质的宏观渗透率之间的关系转换并叠加计算，三根渗流管ph,1、ph,2和ph,3，ph,1孔径单位法向量长度横截面积ph,2孔径单位法向量长度横截面积ph,3孔径单位法向量长度横截面积
15、为渗流管的孔径组成向量，表达为
16、
17、qh为渗流管的单位法向量贡献矩本文档来自技高网...
【技术保护点】
1.一种材料变形破裂的水力耦合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水力耦合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水力耦合各向异性晶格弹簧模型仿真方法，其特征在于，
4.如权利要求3所述的材料变形破裂的水力耦合各向异性晶格弹簧模型仿真方法，其特征在于，
5.如权利要求1所述的材料变形破裂的水力耦合各向异性晶格弹簧模型仿真方法，其特征在于，
【技术特征摘要】
1.一种材料变形破裂的水力耦合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水力耦合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水力耦合...
【专利技术属性】
技术研发人员：孙伟宸，谢强，曹智淋，吴恺，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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