离散元数值分析2020对应教学视频

岩土工程数值分析-离散元分析授课：刘春助教：刘辉南京大学·地球科学与工程学院

2020.2离散元法的应用领域工业领域EDEMMatDEM沙丘形成模拟岩石的微观破坏地质灾害和工程建设中涉及到大变形破坏，多场耦合（应力、水分、温度等）的问题日益突出泥石流滑坡地质灾害实验研究能很好地认识这些问题，但花费大、周期长和实现难大坝隧道大型工程海洋平台页岩气开采深地深海计算机数值模拟技术是认识和解决这些问题的一种高效和可重复的手段多场应力水分温度化学多相固体液体气体地质灾害和工程中的大变形和多场耦合问题汇报提纲离散元法原理和问题1324MatDEM的基本应用示例多场耦合数值模拟再封装和定制专业软件5总结离散元法基本原理在离散元法中，通过堆积和胶结一系列具有特定力学性质的颗粒来构建岩土体模型在最基本的线弹性模型中，假定颗粒之间靠弹簧来相互接触和产生力的作用基于经典的牛顿力学，通过时间步迭代算法来计算颗粒的加速度、速度和位移进而实现宏观岩石和土体的变形和破坏过程模拟离散元堆积模型牛顿力学单元接触单元间的受力单元的运动整体模型的变化宏观微观离散元堆积模型离散元数值计算方法能有效地模拟岩土体的非连续性、不均匀性和大变形破坏，在地质、岩土工程和能源开采等领域具有非常广泛的应用价值离散元法应用工程实践面临三大问题计算量巨大定量建模困难多场耦合理论未完善数值模拟通常需要迭代计算至少一百万次堆积模型宏观力学性质与单元力学参数间的关系不明确，需反复测试和调试现代工程中常常面临多场和多相耦合问题拉格朗日方程单元接触离散元法三大问题的认识和解决基于原创的矩阵离散元理论，自主研发岩土体高性能离散元数值计算软件MatDEM(MatrixcomputingofDiscreteElementMethod)于2018年5月5日发布MatDEM正式版。MatDEM在滑坡、崩塌等地质灾害模拟上已经较为完善，进一步应用于各类地质和岩土工程问题大规模离散元模拟计算量巨大突破性地实现数百万单元的离散元数值模拟，将离散元模拟从试样尺度推进到工程应用经测试和对比，MatDEM计算效率达到国外商业软件PFC的30倍MatDEM数百万单元建模问题1PFC厂商测试PFC定量建模困难三维离散元模型宏微观转换公式离散元材料自动训练实现离散元法快速自动建模推导了二维和三维离散元模型的宏微观转换公式（Liuetal.2013,2015JGR-SolidEarth）实现了离散元材料自动训练自动获得特定级配、特定杨氏模量、泊松比、抗拉强度、抗压强度和内摩擦系数的离散元堆积模型，极大地降低了离散元法建模的难度问题2多场耦合理论提出了离散元法能量转化和能量守恒理论，实现了摩擦生热数值模拟基于有限差分思想，实现了热传导和热力耦合数值模拟提出了离散元孔隙密度流方法，实现了流固耦合数值模拟滑坡滑带摩擦生热能源桩热力耦合模拟裂隙流体运移问题3温度场位移场水力压裂注：数值模拟和动画均由MatDEM软件完成汇报提纲离散元法原理和问题1324MatDEM的基本应用示例多场耦合数值模拟再封装和定制专业软件5总结MatDEM的特点计算参数单元受力矩阵支持CPU和GPU计算，计算速度快，支持数百万单元高效模拟综合前处理、计算、后处理和强大的二次开发，容易学习，支持再封装面向对象的数据结构，所有参数统一在一个对象里可以随时中断计算，查看计算参数，然后继续计算离散元试验直剪试验环剪试验常规三轴试验发表于《工程地质学报》动力作用爆破（平均应力场）地震波（速度场）速度场胶结图通过Excel折线表来建模陨石撞击地球地质灾害滑坡滑带生热数值模拟。发表于《工程地质学报》地下水位下降，导致地面差异性沉降和地裂缝数值模拟（SCI期刊录用）裂缝位移场基岩土层滚石撞击柔性挡网地下工程-盾构滚刀破岩建模滚刀堆积颗粒切割组合模型盾构滚刀破岩数值模拟隧道开挖、岩爆、桩土作用竖向应力速度场竖向应力建模代码隧道错台变形监测和数值模拟利用分布式光纤监测技术监测隧道变形（施斌教授，南京大学）使用MatDEM模拟和定量分析地面沉降过程中管道的大变形和错动汇报提纲离散元法原理和问题1324MatDEM的基本应用示例多场耦合数值模拟再封装和定制专业软件5总结土体失水开裂模型-等效方法SoilcrackEvaporationMoisturetransportStressEvaporationCrackingMatDEM模拟结果moisture不同参数的模拟结果ZhangXY,2016.NumericalSimulationofDryingCrackingUsingMulti-fieldCouplingDiscreteElementMethod.NanjingUniversityBachelorThesis发表于《工程地质学报》微波破岩（热膨胀作用）模拟微波加热作用下，颗粒发生膨胀，进行产生应力和裂隙。下左红色颗粒代表易导电的辉石颗粒，而蓝色代表不易导电的长石颗粒。在数值模拟中，辉石颗粒将逐渐膨胀，产生裂隙网络。材料分布图裂隙分布图能源桩热力耦合数值模拟温度场图位移场图地层15度，从管桩中“注入”25度热水，模拟热力耦合过程基于孔隙密度流方法的流固耦合颗粒-孔隙结构颗粒堆积体孔隙1.建立原始离散元颗粒堆积体2.根据颗粒间距离查找孔隙3.建立颗粒-孔隙结构基于孔隙密度流方法的流固耦合孔隙网络堆积颗粒孔隙识别CFD-DEMLessnode,highspeedLBM-DEMMorenode,lowspeed基于孔隙网络模型的密度流体1.建立原始离散元颗粒堆积体2.根据颗粒间距离查找孔隙3.建立颗粒-孔隙结构孔隙密度流孔隙流体的压力是密度和温度的函数P=F(ρ，T)P:水压力，ρ:密度，T:温度P1P2P3P4P5Darcyflowbetweenpores流体（浆液）在裂隙网络中运移裂隙渗透率取原岩的1000倍，在左下角注入高压流体风暴作用下海底沉积物再悬浮数值分析海洋波浪周期性作用下，沉积物再悬浮研究在上表面流体中施加周期性的高/低孔隙水压力，可以观察到孔隙水压力在孔隙系统中的累积颗粒和孔隙系统海面流体高孔隙水压力低孔隙水压力孔隙水压力的累积深度的作用T=T0K=5K0T=5T0K=5K0T=T0K=K0T=5T0K=K0波浪作用周期增加砂层孔隙率增加砂层渗透性和孔隙水压力变化周期增加时，累积深度增加流固耦合P1P2P3P4P5P1P2P3P4P5F1F2F3F4F5F1F2F3F4F5孔隙压力作用于颗粒网络压力作用于颗粒常规离散元模拟3.颗粒移动4.孔隙体积改变5.孔隙密度改变6.孔隙压力改变示例1:高压水注入砂层颗粒位移孔隙压力和位移场左下角注入高压水（PoreFlood示例）示例2:水力压裂位移场孔隙压力各向同性岩石中注入高压水（PoreHydraulic示例）模拟地下冷热水的混合和驱替（地热）注入热水注入冷水排水综合大变形、水热力多场和流固耦合，可以有效地模拟分析复杂的地质和工程问题模型箱试验离散元建模水热耦合模拟GeoThermalBox示例汇报提纲离散元法原理和问题1324MatDEM的基本应用示例多场耦合数值模拟再封装和定制专业软件5总结滑坡源区刮铲区堆积区数字高程离散元模型茂县滑坡现场国外商业软件PFC与MatDEM数值模拟结果对比（Scaringietal.,2018,Landslides）茂县重大滑坡研究MatDEM模拟结果PFC模拟结果2.4万单元应用于茂县重大滑坡研究滑坡过程演化过程中的位移场30秒60秒90秒120秒实际的滑坡高程变化图应用于茂县重大滑坡研究水城滑坡数值模拟新华社图应急救援刮铲位移场能量转化堆积滑坡的蒙特卡洛分析在MatDEM中，实现数百边坡并排同时计算——计算效率高，计算规模大单元的强度在其原始值的20%~100%间变化每个边坡包含8534个单元，并做5950次迭代计算通过优化，一天能完成40000个边坡的稳定性计算100个边坡的位移场100个边坡的速度场并排的二维边坡模型基于MatDEM封装专业离散元软件归纳总结问题，基于MatDEM计算平台，通过二次开发，定制具有自主知识的“三维滑坡离散元分析系统”窗口界面，功能强大，实现复杂问题分析！利用数字高程数据自动生成三维离散元模型川藏铁路线潜在滑坡三维建模根据数字高程数据自动堆积生成三维模型，实现高达数百万单元的堆积建模设定不稳定区域（滑源）利用自定义的三维曲面生成节理和裂隙数字高程数据由地质力学所提供高程模型离散元地层计算模型滑源MatDEM教学资料5小时的精选慕课，中国大学慕课网站或手机app观看12个小时的中英文字幕教学视频，