(19)国家知识产权局 (12)发明 专利申请 (10)申请公布号 (43)申请公布日 (21)申请 号 202211022917.2 (22)申请日 2022.08.25 (71)申请人 东北大学 地址 110819 辽宁省沈阳市和平区文化路3 号巷11号 (72)发明人 王飞　邹岩琳　庞瑞　刘造保　 陈林　汪昕　庞博学　 (74)专利代理 机构 沈阳东大知识产权代理有限 公司 21109 专利代理师 李在川 (51)Int.Cl. G16C 60/00(2019.01) G06F 30/23(2020.01) G06F 111/10(2020.01) G06F 119/08(2020.01)G06F 119/14(2020.01) (54)发明名称 一种利用热应力生成多晶体岩石天然裂纹 的数值模拟方法 (57)摘要 本发明公开了一种利用热应力生成多晶体 岩石天然裂纹的数值模拟方法， 涉及岩石力学数 值模拟领域； 以解决岩石天然裂纹的预制问题和 更加真实的揭示不同矿物晶体之间天然裂纹如 何影响多晶体之间的力学行为， 采用UDEC软件建 立岩石的晶粒， 建立不同天然裂纹发育程度的多 晶体岩石模 型； 并利用不同晶粒的热力学性质的 差异， 通过热传递和热应力梯度在模 型内部产生 的热应力诱发晶粒间或晶粒内的裂纹发育； 通过 设置晶粒模型接触的微观强度参数以及温度梯 度分布情况， 模拟生成多晶体岩石试样的天然裂 纹网络； 对于已生成裂纹网络的离散元模型， 进 行所有参数和变形应力场的初始化， 建立最终的 含天然裂纹网络的岩石晶粒模型。 权利要求书1页 说明书4页 附图3页 CN 115394382 A 2022.11.25 CN 115394382 A 1.一种利用热应力生成多晶体岩石天然裂纹的数值模拟方法， 其特征在于： 包括如下 步骤： S1： 切割打磨多晶体岩石试样， 进行单轴压缩试验直至岩样破坏， 获得多晶体岩石试样 的应力应变关系曲线， 并对已破坏的多晶体岩石试样进行矿物成分分析， 确定多晶体岩石 试样矿物组分的定量信息； S2： 利用二维离散单元软件UDEC， 建立多晶体岩石离散元模型， 利用Voronoi命令生成 晶粒模型； 并将多晶体岩石离 散元几何模型中晶粒进行遍历； S3： 对多晶体岩石的离散元模型边界施加热载荷， 通过产生的热应力诱发裂纹的产生 和拓展； S4： 将产生热应力裂纹的多晶体岩石的离散元模型进行温度场、 应力场、 位移场的初始 化， 以模拟 岩石初始状态下的天然裂纹； S5： 将初始化后的多晶体岩石的离散元模型进行单轴压缩测试， 获取应力应变关系曲 线， 并对比S1中的应力应变关系曲线， 通过反分析法， 调整S3中的热载荷， 进行S4中的模拟 岩石初始状态下的天然裂纹， 往复直至模拟得到与S1中多晶体岩石 试样相符的应力应变曲 线。 2.如权利要求1所述的利用热应力生成多晶体岩石天然裂纹 的数值模拟方法其特征在 于： 所述切割打磨多晶体岩石试样为圆柱形。 3.如权利要求1所述的利用热应力生成多晶体岩石天然裂纹 的数值模拟方法其特征在 于： 所述矿物成分分析， 利用X射线衍射(XRD)技术对已破坏的多晶体岩石试样进行矿物成 分分析， 获取多晶体岩石试样中不同矿物成分所占比例。 4.如权利要求1所述的利用热应力生成多晶体岩石天然裂纹 的数值模拟方法其特征在 于： 所述S2还包括， 按矿物组分的定量信息， 将遍历 到的晶粒按照相应的矿物种类和比例进 行随机分组， 将晶粒定义为相应的矿物晶粒， 并设定矿物晶粒参数， 包括本构模型， 和不同 矿物热力学性质及参数。 5.如权利要求1所述的利用热应力生成多晶体岩石天然裂纹 的数值模拟方法其特征在 于： 所述多晶体离 散元模型， 建立多晶体岩石试样竖直截面的等尺寸1： 1模型。 6.如权利要求1所述的利用热应力生成多晶体岩石天然裂纹 的数值模拟方法其特征在 于： 所述本构模 型， 将Voronoi块体 设定为弹性本构模 型， 块体接触本构关系设定为摩尔 ‑库 伦滑移模型， 残余 抗拉强度和内聚力设定为0 。 7.如权利要求1所述的利用热应力生成多晶体岩石天然裂纹 的数值模拟方法其特征在 于： 所述不同矿物热力学性质及参数包括比热容、 热导系数、 线性热膨胀系数， 晶粒接触抗 拉强度和抗剪强度参数。 8.如权利要求1所述的利用热应力生成多晶体岩石天然裂纹 的数值模拟方法其特征在 于： 所述S3具体包括以下步骤： S3.1： 将多 晶体岩石 的离散元模型的边界位移固定， 模拟多晶体岩石试样在实验室放 置在平面上的状态， 并在多晶体岩石的离 散元模型的上 下左右边界施加热 载荷； S3.2： 对热载荷进行控制， 根据生成裂纹的规模和 发育程度确定恒定边界温度或非恒 定边界温度， 在持续加热的过程中， 产生的热应力诱发裂纹的产生和拓展。权　利　要　求　书 1/1 页 2 CN 115394382 A 2一种利用热应力生成多晶体岩石天然裂纹的数值模拟方 法 技术领域 [0001]本发明涉及岩石力学数值模拟 领域， 尤其涉及一种利用热应力生成多晶体岩石天 然裂纹的数值模拟方法。 背景技术 [0002]自然界的岩石中往往存在着各种细微观裂纹， 即天然裂纹。 天然裂纹的存在极大 地影响着岩石的受力变形和破坏行为。 在外力的作用下， 岩石内部的天然裂纹会继续拓展、 贯通， 最终改变岩石的渐进失稳过程。 因此， 研究岩石中天然裂纹对研究岩石受力变形和破 坏过程的影响机制有重要的意 义。 [0003]然而， 在实验室中很难实现对天然裂纹的预制。 龙士国等人提出了一种利用超声 波实时检测受载岩石裂纹演变的方法， 但忽略了岩石天然裂纹的拓展变化过程。 为解决天 然裂纹预制的问题， 实验室尺度无法完成有效监测， 而数值模拟方法可以有效解决此类 问 题。 本成果利用离散单元法更加真实得模拟遍布于岩石中的天然裂纹， 为理解天然裂纹对 岩石受力变形和破坏的影响提供切实可 行的研究依据。 [0004]崔昊等人提出了一种基于RKPM ‑PD耦合算法的岩石裂纹扩展预测 方法， 但此方法 并未考虑多晶体对岩石裂纹扩展的影响。 尤其对于多晶体岩石， 不同矿物晶体之间的相互 作用更为显著， 为更加真实地揭示不同矿物晶体之 间的天然裂纹如何影响晶体之 间的力学 行为， 需要建立 一个能模拟具有一定张开度的天然裂纹的数值模型。 发明内容 [0005]为了解决岩石天然裂纹的预制问题和更加真实的揭示不同矿物晶体之间天然裂 纹如何影响多晶体之间的力学行为， 本发明提供了一种利用热应力生成多晶体岩石天然裂 纹的数值模拟方法， 模拟天然裂纹张开、 闭合的变形行为， 为理解 天然裂纹对岩石受力变形 和破坏的影响提供切实可 行的数值模拟方法。 [0006]为实现上述目的， 采用的技 术方案为： [0007]一种利用热应力生成多晶体岩石天然裂纹的数值模拟方法， 包括如下步骤： [0008]S1： 切割打磨多晶体岩石试样， 进行单轴压缩试验直至岩样破坏， 获得多晶体岩石 试样的应力应变关系曲线， 并对已破坏的多晶体岩石试样进行矿物成分分析， 确定多晶体 岩石试样矿物组分的定量信息； [0009]S2： 利用二维离散单元软件UDEC， 建立多晶体岩石离散元模型， 利用Voronoi(泰森 多边形)命令生成晶粒模型； 并将多晶体岩石离 散元几何模型中晶粒进行遍历； [0010]S3： 对多晶体岩石的离散元模型边界施加热载荷， 通过产生的热应力诱发裂纹的 产生和拓展； [0011]S4： 将产生热应力裂纹的多晶体岩石的离散元模型进行温度场、 应力场、 位移场的 初始化， 以模拟 岩石初始状态下的天然裂纹； [0012]S5： 将初始化后的多晶体岩石的离散元模型进行单轴压缩测试， 获取应力应变关说　明　书 1/4 页 3 CN 115394382 A 3