離散元數(shù)值分析2020對(duì)應(yīng)教學(xué)視頻

巖土工程數(shù)值分析-離散元分析授課：劉春助教：劉輝南京大學(xué)·地球科學(xué)與工程學(xué)院

2020.2離散元法的應(yīng)用領(lǐng)域工業(yè)領(lǐng)域EDEMMatDEM沙丘形成模擬巖石的微觀破壞地質(zhì)災(zāi)害和工程建設(shè)中涉及到大變形破壞，多場耦合（應(yīng)力、水分、溫度等）的問題日益突出泥石流滑坡地質(zhì)災(zāi)害實(shí)驗(yàn)研究能很好地認(rèn)識(shí)這些問題，但花費(fèi)大、周期長和實(shí)現(xiàn)難大壩隧道大型工程海洋平臺(tái)頁巖氣開采深地深海計(jì)算機(jī)數(shù)值模擬技術(shù)是認(rèn)識(shí)和解決這些問題的一種高效和可重復(fù)的手段多場應(yīng)力水分溫度化學(xué)多相固體液體氣體地質(zhì)災(zāi)害和工程中的大變形和多場耦合問題匯報(bào)提綱離散元法原理和問題1324MatDEM的基本應(yīng)用示例多場耦合數(shù)值模擬再封裝和定制專業(yè)軟件5總結(jié)離散元法基本原理在離散元法中，通過堆積和膠結(jié)一系列具有特定力學(xué)性質(zhì)的顆粒來構(gòu)建巖土體模型在最基本的線彈性模型中，假定顆粒之間靠彈簧來相互接觸和產(chǎn)生力的作用基于經(jīng)典的牛頓力學(xué)，通過時(shí)間步迭代算法來計(jì)算顆粒的加速度、速度和位移進(jìn)而實(shí)現(xiàn)宏觀巖石和土體的變形和破壞過程模擬離散元堆積模型牛頓力學(xué)單元接觸單元間的受力單元的運(yùn)動(dòng)整體模型的變化宏觀微觀離散元堆積模型離散元數(shù)值計(jì)算方法能有效地模擬巖土體的非連續(xù)性、不均勻性和大變形破壞，在地質(zhì)、巖土工程和能源開采等領(lǐng)域具有非常廣泛的應(yīng)用價(jià)值離散元法應(yīng)用工程實(shí)踐面臨三大問題計(jì)算量巨大定量建模困難多場耦合理論未完善數(shù)值模擬通常需要迭代計(jì)算至少一百萬次堆積模型宏觀力學(xué)性質(zhì)與單元力學(xué)參數(shù)間的關(guān)系不明確，需反復(fù)測試和調(diào)試現(xiàn)代工程中常常面臨多場和多相耦合問題拉格朗日方程單元接觸離散元法三大問題的認(rèn)識(shí)和解決基于原創(chuàng)的矩陣離散元理論，自主研發(fā)巖土體高性能離散元數(shù)值計(jì)算軟件MatDEM(MatrixcomputingofDiscreteElementMethod)于2018年5月5日發(fā)布MatDEM正式版。MatDEM在滑坡、崩塌等地質(zhì)災(zāi)害模擬上已經(jīng)較為完善，進(jìn)一步應(yīng)用于各類地質(zhì)和巖土工程問題大規(guī)模離散元模擬計(jì)算量巨大突破性地實(shí)現(xiàn)數(shù)百萬單元的離散元數(shù)值模擬，將離散元模擬從試樣尺度推進(jìn)到工程應(yīng)用經(jīng)測試和對(duì)比，MatDEM計(jì)算效率達(dá)到國外商業(yè)軟件PFC的30倍MatDEM數(shù)百萬單元建模問題1PFC廠商測試PFC定量建模困難三維離散元模型宏微觀轉(zhuǎn)換公式離散元材料自動(dòng)訓(xùn)練實(shí)現(xiàn)離散元法快速自動(dòng)建模推導(dǎo)了二維和三維離散元模型的宏微觀轉(zhuǎn)換公式（Liuetal.2013,2015JGR-SolidEarth）實(shí)現(xiàn)了離散元材料自動(dòng)訓(xùn)練自動(dòng)獲得特定級(jí)配、特定楊氏模量、泊松比、抗拉強(qiáng)度、抗壓強(qiáng)度和內(nèi)摩擦系數(shù)的離散元堆積模型，極大地降低了離散元法建模的難度問題2多場耦合理論提出了離散元法能量轉(zhuǎn)化和能量守恒理論，實(shí)現(xiàn)了摩擦生熱數(shù)值模擬基于有限差分思想，實(shí)現(xiàn)了熱傳導(dǎo)和熱力耦合數(shù)值模擬提出了離散元孔隙密度流方法，實(shí)現(xiàn)了流固耦合數(shù)值模擬滑坡滑帶摩擦生熱能源樁熱力耦合模擬裂隙流體運(yùn)移問題3溫度場位移場水力壓裂注：數(shù)值模擬和動(dòng)畫均由MatDEM軟件完成匯報(bào)提綱離散元法原理和問題1324MatDEM的基本應(yīng)用示例多場耦合數(shù)值模擬再封裝和定制專業(yè)軟件5總結(jié)MatDEM的特點(diǎn)計(jì)算參數(shù)單元受力矩陣支持CPU和GPU計(jì)算，計(jì)算速度快，支持?jǐn)?shù)百萬單元高效模擬綜合前處理、計(jì)算、后處理和強(qiáng)大的二次開發(fā)，容易學(xué)習(xí)，支持再封裝面向?qū)ο蟮臄?shù)據(jù)結(jié)構(gòu)，所有參數(shù)統(tǒng)一在一個(gè)對(duì)象里可以隨時(shí)中斷計(jì)算，查看計(jì)算參數(shù)，然后繼續(xù)計(jì)算離散元試驗(yàn)直剪試驗(yàn)環(huán)剪試驗(yàn)常規(guī)三軸試驗(yàn)發(fā)表于《工程地質(zhì)學(xué)報(bào)》動(dòng)力作用爆破（平均應(yīng)力場）地震波（速度場）速度場膠結(jié)圖通過Excel折線表來建模隕石撞擊地球地質(zhì)災(zāi)害滑坡滑帶生熱數(shù)值模擬。發(fā)表于《工程地質(zhì)學(xué)報(bào)》地下水位下降，導(dǎo)致地面差異性沉降和地裂縫數(shù)值模擬（SCI期刊錄用）裂縫位移場基巖土層滾石撞擊柔性擋網(wǎng)地下工程-盾構(gòu)滾刀破巖建模滾刀堆積顆粒切割組合模型盾構(gòu)滾刀破巖數(shù)值模擬隧道開挖、巖爆、樁土作用豎向應(yīng)力速度場豎向應(yīng)力建模代碼隧道錯(cuò)臺(tái)變形監(jiān)測和數(shù)值模擬利用分布式光纖監(jiān)測技術(shù)監(jiān)測隧道變形（施斌教授，南京大學(xué)）使用MatDEM模擬和定量分析地面沉降過程中管道的大變形和錯(cuò)動(dòng)匯報(bào)提綱離散元法原理和問題1324MatDEM的基本應(yīng)用示例多場耦合數(shù)值模擬再封裝和定制專業(yè)軟件5總結(jié)土體失水開裂模型-等效方法SoilcrackEvaporationMoisturetransportStressEvaporationCrackingMatDEM模擬結(jié)果moisture不同參數(shù)的模擬結(jié)果ZhangXY,2016.NumericalSimulationofDryingCrackingUsingMulti-fieldCouplingDiscreteElementMethod.NanjingUniversityBachelorThesis發(fā)表于《工程地質(zhì)學(xué)報(bào)》微波破巖（熱膨脹作用）模擬微波加熱作用下，顆粒發(fā)生膨脹，進(jìn)行產(chǎn)生應(yīng)力和裂隙。下左紅色顆粒代表易導(dǎo)電的輝石顆粒，而藍(lán)色代表不易導(dǎo)電的長石顆粒。在數(shù)值模擬中，輝石顆粒將逐漸膨脹，產(chǎn)生裂隙網(wǎng)絡(luò)。材料分布圖裂隙分布圖能源樁熱力耦合數(shù)值模擬溫度場圖位移場圖地層15度，從管樁中“注入”25度熱水，模擬熱力耦合過程基于孔隙密度流方法的流固耦合顆粒-孔隙結(jié)構(gòu)顆粒堆積體孔隙1.建立原始離散元顆粒堆積體2.根據(jù)顆粒間距離查找孔隙3.建立顆粒-孔隙結(jié)構(gòu)基于孔隙密度流方法的流固耦合孔隙網(wǎng)絡(luò)堆積顆?？紫蹲R(shí)別CFD-DEMLessnode,highspeedLBM-DEMMorenode,lowspeed基于孔隙網(wǎng)絡(luò)模型的密度流體1.建立原始離散元顆粒堆積體2.根據(jù)顆粒間距離查找孔隙3.建立顆粒-孔隙結(jié)構(gòu)孔隙密度流孔隙流體的壓力是密度和溫度的函數(shù)P=F(ρ，T)P:水壓力，ρ:密度，T:溫度P1P2P3P4P5Darcyflowbetweenpores流體（漿液）在裂隙網(wǎng)絡(luò)中運(yùn)移裂隙滲透率取原巖的1000倍，在左下角注入高壓流體風(fēng)暴作用下海底沉積物再懸浮數(shù)值分析海洋波浪周期性作用下，沉積物再懸浮研究在上表面流體中施加周期性的高/低孔隙水壓力，可以觀察到孔隙水壓力在孔隙系統(tǒng)中的累積顆粒和孔隙系統(tǒng)海面流體高孔隙水壓力低孔隙水壓力孔隙水壓力的累積深度的作用T=T0K=5K0T=5T0K=5K0T=T0K=K0T=5T0K=K0波浪作用周期增加砂層孔隙率增加砂層滲透性和孔隙水壓力變化周期增加時(shí)，累積深度增加流固耦合P1P2P3P4P5P1P2P3P4P5F1F2F3F4F5F1F2F3F4F5孔隙壓力作用于顆粒網(wǎng)絡(luò)壓力作用于顆粒常規(guī)離散元模擬3.顆粒移動(dòng)4.孔隙體積改變5.孔隙密度改變6.孔隙壓力改變示例1:高壓水注入砂層顆粒位移孔隙壓力和位移場左下角注入高壓水（PoreFlood示例）示例2:水力壓裂位移場孔隙壓力各向同性巖石中注入高壓水（PoreHydraulic示例）模擬地下冷熱水的混合和驅(qū)替（地?zé)幔┳⑷霟崴⑷肜渌潘C合大變形、水熱力多場和流固耦合，可以有效地模擬分析復(fù)雜的地質(zhì)和工程問題模型箱試驗(yàn)離散元建模水熱耦合模擬GeoThermalBox示例匯報(bào)提綱離散元法原理和問題1324MatDEM的基本應(yīng)用示例多場耦合數(shù)值模擬再封裝和定制專業(yè)軟件5總結(jié)滑坡源區(qū)刮鏟區(qū)堆積區(qū)數(shù)字高程離散元模型茂縣滑坡現(xiàn)場國外商業(yè)軟件PFC與MatDEM數(shù)值模擬結(jié)果對(duì)比（Scaringietal.,2018,Landslides）茂縣重大滑坡研究MatDEM模擬結(jié)果PFC模擬結(jié)果2.4萬單元應(yīng)用于茂縣重大滑坡研究滑坡過程演化過程中的位移場30秒60秒90秒120秒實(shí)際的滑坡高程變化圖應(yīng)用于茂縣重大滑坡研究水城滑坡數(shù)值模擬新華社圖應(yīng)急救援刮鏟位移場能量轉(zhuǎn)化堆積滑坡的蒙特卡洛分析在MatDEM中，實(shí)現(xiàn)數(shù)百邊坡并排同時(shí)計(jì)算——計(jì)算效率高，計(jì)算規(guī)模大單元的強(qiáng)度在其原始值的20%~100%間變化每個(gè)邊坡包含8534個(gè)單元，并做5950次迭代計(jì)算通過優(yōu)化，一天能完成40000個(gè)邊坡的穩(wěn)定性計(jì)算100個(gè)邊坡的位移場100個(gè)邊坡的速度場并排的二維邊坡模型基于MatDEM封裝專業(yè)離散元軟件歸納總結(jié)問題，基于MatDEM計(jì)算平臺(tái)，通過二次開發(fā)，定制具有自主知識(shí)的“三維滑坡離散元分析系統(tǒng)”窗口界面，功能強(qiáng)大，實(shí)現(xiàn)復(fù)雜問題分析！利用數(shù)字高程數(shù)據(jù)自動(dòng)生成三維離散元模型川藏鐵路線潛在滑坡三維建模根據(jù)數(shù)字高程數(shù)據(jù)自動(dòng)堆積生成三維模型，實(shí)現(xiàn)高達(dá)數(shù)百萬單元的堆積建模設(shè)定不穩(wěn)定區(qū)域（滑源）利用自定義的三維曲面生成節(jié)理和裂隙數(shù)字高程數(shù)據(jù)由地質(zhì)力學(xué)所提供高程模型離散元地層計(jì)算模型滑源MatDEM教學(xué)資料5小時(shí)的精選慕課，中國大學(xué)慕課網(wǎng)站或手機(jī)app觀看12個(gè)小時(shí)的中英文字幕教學(xué)視頻，