rfpa系统介绍

岩石细观统计损伤模型岩石破裂过程数值试验主讲人：谭志宏第一部分RFPA系统概述第二部分RFPA系统的基本原理第三部分RFPA-Basic可研究的问题第四部分RFPA-Basic软件平台介绍第五部分工程算例模拟演示主要内容一、RFPA系统概述§RFPA系统概述◆RFPA是RealisticFailureProcessAnalysis的简称。它是一种基于有限元应力分析和统计损伤理论的材料破裂过程分析数值计算方法，是一个能够模拟材料渐进破裂直至失稳全过程的数值试验工具。该方法的一个重要特色是考虑了材料性质的非均匀性，是一种通过非均匀性模拟非线性、通过连续介质力学方法模拟非连续介质力学问题的材料破裂过程分析新型数值分析方法。◆岩石力学问题，广义的讲包括岩石的破坏问题。岩石之所以产生非线性变形，是因为岩石在受载过程中其内部不断产生微细破裂的缘故。这种微细破裂的不断发展便导致最终的宏观破裂。通常的有限元方法尽管可以模拟演示的非线性变形，但只是在宏观上的一种“形似”，而没有模拟出岩石在变形过程中微破裂过程，因而不能做到“神似”。◆为了解决岩石破裂过程的分析，采用有限元法、有限差分法、边界元法、离散元法等数值模拟方法在全面解决复杂的岩土工程问题，例如岩石材料的非线性问题、岩体中节理、裂隙等不连续面对分析计算的影响等等方面不同程度的存在缺陷。1995年软件系统创始人唐春安教授针对这些问题提出了基于有限元基本理论，充分考虑岩石破裂过程中伴随的非线性、非均匀性和各向异性等特点的新的数值模拟方法“RFPA方法”，即真实破裂过程分析方法。§RFPA系统概述§RFPA方法的主要要点◆将材料的不均质性参数引入到计算单元，宏观破坏是单元破坏的积累过程。◆认为单元性质是弹-脆性或弹-塑性的，单元的弹模和强度等其他参数服从某种分布，如正态、韦伯、均匀等。◆认为当单元应力达到破坏的准则将发生破坏，并对破坏单元进行刚度退化处理，故可以以连续介质力学方法处理物理非线性介质问题。◆认为岩石的损伤量、声发射同破坏单元数成正比。二、RFPA系统的基本原理RFPA是一个以弹性力学为应力分析工具、以弹性损伤理论及其修正后的Coulomb破坏准则为介质变形和破坏分析模块的岩石破裂过程分析系统。其基本思路是：1.岩石介质模型离散化成由细观基元组成的数值模型，岩石介质在细观上是各向同性的弹-脆性介质；2.假定离散化后的细观基元的力学性质服从某种统计分布规律（本书引入韦伯分布），由此建立细观与宏观介质力学性能的联系；3.按弹性力学中的基元线弹性应力、应变求解方法，分析模型的应力、应变状态。RFPA利用线弹性有限元方法作为应力计算器；4.引入适当的基元破坏准则（相变准则）和损伤规律，基元相变临界点用修正的Coulomb准则和拉伸截断的库仑准则；5.基元的力学性质随演化的发展是不可逆的；6.基元相变前后均为线弹性体；7.岩石介质中的裂纹扩展是一个准静态过程，忽略因快速扩展引起的惯性力的影响。§非均匀介质单元划分标准◆从提高计算速度的角度讲：自然是单元取得大些比较合适，但较大的单元不仅不能反映细观非均匀的力学性质，使模型不能很好地反映工程实际，而且较大的单元尺寸本身也会给计算带来较大的误差。◆从计算精度的角度讲：在计算机速度允许的情况下，应尽可能的将单元划分得小些，这样不仅能够使模型更加真实地反映实际，而且也有利于提高计算的精度。◆单元大小的划分标准：根据精度，是否将单元划分的越小越好呢？未必！大家知道，在断裂力学中，为了数学处理的方便，裂纹的两端被假设为无穷小的尖端。然而，按照这一假设，所计算出的裂纹尖端处的拉应力为无穷大。这意味着什么？意味着只要给定任意有限值得加载，裂纹便会迅速扩展，这显然是与实际情况不相符的。造成这一错误结论的原因是，在现实的介质特别是岩石介质中，裂纹尖端实际上是有一定尺度的。这一尺度是与介质的基本细观性质有关的，我们称之为介质的细观特征尺度。因此，单元大小的划分标准为：只要数值模型中的单元尺寸能够反映或者基本反映这种细观特征尺度，那么该模型的单元尺寸就是合理或者基本合理的。§非均匀介质单元划分标准§基元的引入◆细观力学认为；通过细观单元的变形、破坏的个体行为的积累来反映宏观行为的演化，为研究介质变形和破裂的宏观行为提供了一种新的途径。所谓的基元，是构成介质的基本细观尺度单元，是在物理力学性质方面能够代表介质特征的最小单元。基元是介质破裂研究最基本的单位，破裂就是基元的破裂，比基元更小的破坏是不存在的。在岩石破裂过程分析RPFA系统中，为了能够充分考虑介质力学性能的非均匀性以及由这种非均匀性引起的变形、破裂过程的复杂性，我们引入了三种特性的基元，即基质基元、空气基元和接触基元。§基元的三种形态◆基质基元；是指基元在模型中的当前功能为实体介质。它的性能由岩石的本构关系来描述。◆空气基元；是指基元在模型中的当前功能为虚体特性。当单元介质在拉应力条件下发生断裂后，形成断裂面。就断裂面的物理本质而言，也就是应力的传递在此出现不连续或中断。通常的数值计算方法解决这一问题的方法是将单元中的节点分开，或者是将单元从模型中去掉。但是，这样做的结果使得模型的数学处理变得极其复杂，而且一般不适合多裂纹、特别是多裂纹相互交叉的情形。RFPA系统采用的裂纹处理方法，即空气基元。当基元介质发生断裂后，我们不是将该单元从模型中去掉，而是用弹模极低的基元性质取代原有的实体基元的性质，由于新的基元弹模极低，可以近似的认为实体介质的行为已不存在，这样在不改变模型数学结构的前提下，却可以使得模型在总体特性上能够反映出因基元破裂而引起的物理特性的改变。◆接触基元；压、剪破坏后的基元在一定范围内维持残余强度状态。但是，对于现实中的介质来说，破坏后的介质在继续受压应力、特别是各向均受压应力的条件下，将出现所谓的压密或压实现象，其力学表现则是压密后的介质刚度不仅不降低，反而出现上升。对于已经形成的裂纹面而言（即空气基元），当裂隙两面的介质在压应力作用下产生接触时，则应力仍可以通过接触面传递。这时，则可以通过激活空气基元，使其刚度增加，起到传递应力的作用。这就是所谓的接触基元特性。在上述两种情况下，接触基元只能传递压应力，而不能传递拉应力。即当存在拉应力时，接触基元立刻转化成空气基元。§基元的三种形态§三种基元在不同条件下的转化基质基元空气基元接触基元裂纹两面的介质受压作用产生接触，接触面传递压应力激活空气单元，单元刚度增加当压应力变为拉应力时，进行刚度退化处理§基元的相变◆所谓基元的相变，三种基元在一定条件下，将由一种突然转化为另一种，这种其力学性质全然改观，叫做相变。其临界条件即为相变点。cmax_cmax_t分离相残余相弹性相残余相接触相基元及其特性ccrtttr分离点相变点2相变点1接触点图中个参数的意义:——1类相变阀值ccr——1类相变残余阀值t——2类相变阀值tr——2类相变残余阀值c——最大压应变max_c——极限压应变tmax_t——最大拉应变——极限拉应变①基元相变之前，它代表实际的完好介质，具有线弹性应力-应变特性。②基元相变之后的一定范围内，它代表相变后阶段的弱介质，具有残余阀值特性。③如果相变后的基元被高度挤压，则基元犹如被压密的介质。如果相变后的基元受拉，使其拉应变达到一定的值时不再将基元看成是它所代表的介质，处理成空气基元。§RFPA分析过程流程图开始实体建模和网格划分，用统计分布函数，赋每一个基元的刚度和相变值等施加荷载产生一个新的边界位移或载荷形成新的刚度矩阵将相变基元进行弱化处理线弹性有限元求解器计算基元节点力和位移根据相变准则判断是否有基元相变加载是否需要结束结束是否是否实体建模应力分析相变分析三、RFPA-Basic可研究的问题§RFPA-2D基本版◆RFPA-2D基本版：集中了RFPA系列软件的基本功能，可进行岩石、混凝土等脆性材料受载的变形破坏分析，其声发射模式的探测，亦可进行简单的工程应用分析，如地下工程开挖及支护过程中的应力场、位移场监测及声发射（微震）监控等。请看岩石材料单轴压缩的破坏过程……岩石材料单轴压缩的破坏过程及声发射四、RFPA系统平台介绍§RFPA系统平台介绍Ⅰ、RFPA系统计算方面的特点：①允许模拟计算由于分步开挖引起的应力重新分布对进一步变形和破坏过程的影响，也就是说在模拟地下开采中伴随的破坏过程时更接近于实际情况。②可以通过专门提供的作图工具和参数输入模块，在模型中考虑模拟材料的微观缺陷，也可以考虑节理、裂隙等宏观缺陷。③可以模拟自重引起的破坏过程，新的RFPA2D软件系统增加了对地下工程开挖，地下破坏、地表沉陷、采动影响下煤岩顶板冒落、边坡失稳等问题的模拟功能。④增加了对多种统计分布函数如韦伯分布、正态分布、均匀分布等在材料特性中的嵌入，来考虑材料力学参数（强度、弹模等）的非均匀性分布特征，从而可以从本质上研究岩石变形的非线性特征。⑤新的RFPA2D软件系统增加了对流固耦合（如：水力压裂、底板突水、水工中岩石、体渗流）、气固耦合（媒岩体瓦斯突出）、温度应力场耦合问题的模拟分析功能。⑥边坡稳定性分析模块，主要为强度折减法和离心机法。Ⅱ、RFPA系统使用方面的特点：RFPA2D软件系统由于从设计到具体的实现过程就时刻注意到系统的可视化，所以新系统的用户界面不出现任何与数值计算方法有关的术语，用户无需掌握专门的数值计算方法，只需提供与研究对象有关的几何参数和力学参数，就可以用几何作图方式构造力学模型；所有操作都是针对图形进行的。用户只需利用内藏的高性能作图工具绘出结构物的图形，并为组成结构物的各个部分指定材料的力学参数，然后指定边界条件，即可进行计算分析。①赋值（前处理）。RFPA对任何一个实际模拟对象的赋值，包括网格大小、力学参数、边界条件、加载条件等，都是基于面向用户的对话框。②计算。RFPA可快速进行100,000个单元以上的模型分析计算，而且最大容量只取决于计算机的硬件性能。在RFPA系统中，应力分析和相变分析（破坏分析）是相互独立的，有限元仅完成应力、应变计算，不参与相变分析。但整个应力分析、相变分析过程是连贯依此完成的，不需要用户进行任何干预。③显示（后处理）。在RFPA中专门设置了一组显示工具条和菜单栏用于对模拟结果进行显示操作。RFPA实时显示中间的计算结果，从而可以及时反馈给用户计算进度。RFPA还具有对计算结果重画图形的功能，以便获得更为理想的后处理结果。④图形编辑。RFPA具有对模拟结果图形进行缩放、拷贝等编辑功能，还可以直接运用windows的剪切、复制、粘贴等功能将模拟结果图形传输到图形处理软件（如MS-Word，CorelDraw等）进行后处理编辑。RFPA-2D工作平台的装入……Ⅰ：通过鼠标双击桌面上RFPA图标装入Ⅱ：通过开始菜单装入，开始程序RFPAⅢ：通过WindowsExplorer中运行RFPAstudio.exe命令：c：\RFPA\RFPAstudio.exe初始工作平台新建工程文档打开已有的*rfp类型文档设计平台RFPA模型工作区显示工具条基本工具条作图工具条材料特性类型材料特性分布图菜单条调色板状态条工具条介绍(toolbar)工具条：是为了方便菜单中的主要命令的使用而设置的快捷工具基本工具条New新建Open打开Save保存Print打印Copy复制Zoom缩放FullScreen全屏显示Meshdividing网格划分Boundaryconditions边界条件Controlconditions控制条件Runstepbystep单步运行Autorun自动连续运行Stoprun强制停止运行作图工具条Drawbymouse鼠标键盘输入切换Materialproperty材料类型选择Selectarea区域选择Rectangle矩形Circle圆Line单直线Doubleline双直线Polyline多线Polygon任意多边形Compositematerial复合材料ClosedArc封闭弧Arc圆弧Anchor支护复合材料增强介质颗粒设置