真实破裂过程分析(RFPA)介绍

    真实破裂过程分析(Realistic Failure Process Analysis)(简称:RFPA),RFPA软件是基于RFPA方法(即真实破裂过程分析方法)研发的一个能够模拟材料渐进破坏的数值试验工具。其计算方法基于有限元理论和统计损伤理论,该方法考虑了材料性质的非均性、缺陷分布的随机性,并把这种材料性质的统计分布假设结合到数值计算方法(有限元法)中,对满足给定强度准则的单元进行破坏处理,从而使得非均匀性材料破坏过程的数值模拟得以实现。因RFPA软件独特的计算分析方法,使其能解决岩土工程中多数模拟软件无法解决的问题。

渗流分析版--RFPA3D-Flow

三维真实破裂过程分析软件【渗流分析版】--RFPA-Flow是继RFPA3D-Basic版推出的新版本。 RFPA3D-Flow可建立描述非均质岩体渗流-应力-损伤耦合作用物理模型,可研究岩体应力状态的变化和损伤破坏过程中渗透性的演化规律对其渗流过程的影响,包括应力-应变-渗透系数全过程分析,裂纹萌生、扩展贯通过程渗透性变化规律;渗流过程对水压力作用岩石应力分布及其损伤演化的影响,包括孔隙水压力对岩石破裂模式的影响等;非均匀性对岩石的渗流-应力-损伤耦合机制的影响等等;利用该版本可进行岩石(体)基本渗流特性的模拟研究,亦可进行水工中岩石(体)流-固耦合问题的数值计算分析,如可开展水力水电工程中各类坝体渗流场、孔隙压力场、微震时空展布等特征的计算分析,对承压水煤层开采等工程中的突水等突发性地质灾害的预测分析。

【典型算例】

数值模型 破坏模式(水压分布)


并行分析版--RFPA3D-Parallel

三维真实破裂过程分析软件【并行分析版】--RFPA3D-Parallel是继RFPA单机版系列软件开发成功后推出的。通过大规模科学计算进行重大科学发现,已普遍地为人们所共识。从传统科学与工程领域如航空航天、地震预报、天气与气候预测、大型水利建设和石油地质勘探,到大型基因组测试、新药设计和新材料合成等新兴科学研究领域,无处不需要大规模数值试验和科学计算。在当今社会,科学数值试验已经逐渐成为影响和关系到一个国家经济发展、科技进步和国家安全的关键性环节。而要实现大规模数值试验和科学计算,则首先必须寻求更好的算法和技术来解决来自科学和各类工程技术中的大规模计算问题,提高计算速度,并行计算方法是目前解决这一难题的最行之有效的方法之一。对于工程地质灾害问题也是一样,由于问题涉及的因素多且复杂、规模巨大,仅仅依靠现有的数值计算方法和分析工具,很难开展高水平的分析预报工作。运用大规模科学计算技术来分析复杂应力场的分布,灾害的分析预报,无疑将是一条有效的途径。RFPA3D-Parallel版正是应这一需求而推出的,RFPA3D-Parallel版融合了现代并行计算技术和RFPA系列软件特有的破坏过程分析手段,可建立实际工程的大规模三维地质模型,实现300万以上单元,每秒3000亿次以上的应力数值计算分析,进行应力场、位移场及微震活动性演化分析,为工程安全稳定性评价、地质灾害预测预报提供研究平台。

【典型算例】


不同应力水平下的裂纹等间距现象(RFPA3D-Parallel模拟)

地层中裂纹饱和现象的大规模数值计算分析(RFPA3D-Parallel模拟)

某矿山境界矿柱分析(RFPA3D-Parallel模拟)

工程建模版--RFPA3D-Engineering

三维真实破裂过程分析软件【工程建模版】--RFPA3D-Engineering是继RFPA3D-Basic版开发成功后推出的,主要面向实际岩土工程应用分析,可对工程实体进行应力分析、位移监测及声发射(微震)监控等。针对实际工程模型,可用RFPA3D-Engineering自身建模、计算分析,亦可用MSC.PATRANANSYS等大型通用商业软件建模,然后导入RFPA3D-Engineering中进行计算分析,最后得到可视化的结果和具体量化的分析数据。

【典型算例】

地震波作用下拱坝破坏(RFPA3D-Engineering模拟)


RFPA3D-Engineering生成的数值分析模型和加载边界条件

间隔破裂形成过程(RFPA3D-Engineering模拟)

RFPA3D-Engineering数值模拟得到的最大主应力分布图

球体表面龟裂形成过程(裂纹从产生到饱和的过程)(r3-r2=30mm

球体表面龟裂形成过程(不同材料层厚度模拟结果)(RFPA3D-Engineering模拟)

强度折减版--RFPA3D-SRM

三维真实破裂过程分析软件【强度折减版】--RFPA3D-SRM是在RFPA2D系列软件的思想上将强度折减基本原理引入真实破裂过程分析[RFPA]方法中而推出的新版本。运用该版本可进行边坡、岩土工程稳定性分析,该版本的数值计算方法全面满足静力许可、应变相容、以及岩土体的非线性应力-应变关系,在求解安全系数时,无需假定滑动面的具体位置和形状,也无需进行条分,程序可自动求得滑动面;模拟过程中能够跟踪边坡起裂、裂纹发展和滑动面的形成过程;对安全系数的计算中,以基元破坏个数的最大值作为边坡失稳的判据,方法简单、有效;能够对复杂地质、地貌的岩、土质边坡进行稳定性分析,不受边坡几何形状和结构的限制,边坡中的不同构造、产状和特性的结构面均可以在数值模型中得以再现,能够为深入研究边坡的稳定性提供理论支持并为边坡的设计提供指导。

【典型算例】


普通坡面三维边坡稳定性分析(RFPA3D-SRM

不规则坡面三维边坡稳定性分析(RFPA3D-SRM

多台阶三维边坡稳定性分析(RFPA3D-SRM

基本版--RFPA3D-Basic

三维真实破裂过程分析软件【基本版】--RFPA3D-Basic 是在RFPA2D系列软件的思想上开发的新版本。数学理论上的复杂性、实验室试验和现场观测试验条件和技术的限制,都给岩石三维破裂过程的研究带来很大的困难,RFPA3D系列软件正是应这一需求而隆重推出的,RFPA3D系列软件秉承了RFPA2D系列软件在岩土破裂过程分析方面的特色,可实现岩石试件的加载破裂、岩石破裂的声发射、三维裂纹扩展和相互作用、复合材料断裂的数值模拟,并可对地下结构工程破坏、混凝土结构破坏等实际工程开展应用分析。计算结果为丰富的三维图形显示,采用SGL公司跨平台强大图形库模块OpenGL来实现软件模拟结果的图形图像的显示,可以多角度旋转和不同方位的剪切模型,观测被计算分析实体中的萌生裂纹、应力场、位移场、声发射场的时空展布特征。

【典型算例】


轴向压缩岩样破坏的弹性模量以及轴向位移(RFPA3D-Basic模拟)


脆性材料薄板五点弯曲加载破坏过程(RFPA3D-Basic模拟)

混凝土梁的三点受载破坏(RFPA3D-Basic模拟)

工程建模版--RFPA2D-Engineering

二维真实破裂过程分析软件【工程建模版】--RFPA2D-Engineering是在RFPA2D-Basic基础上推出的新版本。秉承了RFPA系列软件在岩土破裂过程分析方面的特色,主要面向实际岩土工程应用分析,可对工程实体进行应力分析、位移监测及声发射(微震)监控等。针对实际工程模型,可用RFPA2D-Engineering自身建模、计算分析,亦可用MSC.PATRAN、ANSYS等大型通用商业软件建模,然后导入RFPA2D-Engineering中进行计算分析,最后得到可视化的结果和具体量化的分析数据。

【典型算例】

RFPA2D-Engineering中创建的模型网格及模型实体


最终模拟得到的破坏过程中的应力场(RFPA2D-Engineering模拟)

细观分析版--RFPA2D-DIP

二维真实破裂过程分析软件【细观分析版】--RFPA2D-DIP(2D Realistic Failure Process Analysis based Digital Image Processing)

是在RFPA2D-Basic基础上引入数字图像处理技术来表征岩石、混凝土等非均质材料的细观结构而推出的新版本。导入岩石或混凝土试样断面的数字图像,运用数字图像处理技术分析图像的颜色特征,识别出各类细观介质,并赋予相应的材料编号,确定各细观介质的材料区域。软件自动将处理后的非均匀表征图像转化为有限元网格,从而建立能反映材料细观结构的数值模型,利用软件快捷方便的材料赋值功能对细观介质材料赋值并输入各细观介质本构方程控制参数值。设置边界条件,即进行外载荷作用下的力学行为和破坏过程分析。该版本主要针对由多种不同颜色的造岩矿物形成的岩石和灰度区分明显的混凝土材料,亦可用来分析复合材料。(目前图像处理算法只针对Windows通用的24位BMP图像。可以用来分析材料细观结构对力学行为的影响及其损伤破坏过程,作为对相应实验结果有益的辅助研究手段。由于该版本是根据数字图像建立模型的,所以数值模型的准确性主要取决于导入的数字图像的分辨率和图像的颜色特征,也即数字图像所能反映的材料细观结构信息。)

【典型算例】

原始混凝土试样照片 导入RFPA2D-DIP处理后的数值模型

单轴压缩混凝土试样的破裂过程及应力场演化(RFPA2D-DIP模拟)

离心加载版--RFPA2D-Centrifugal

二维真实破裂过程分析软件【离心加载版】--RFPA2D-Centrifugal是在RFPA2D-Basic的基础上,将离心加载试验的基本原理引入真实破裂过程分析[RFPA]方法中而推出的新版本。RFPA2D-Centrifugal基于对岩石细观层次结构的认识,假定岩石的细观力学性质具有统计性,把岩石离散成适当尺度的细观基元,考虑其非均匀性特性,按照给定的Weibull统计分布函数,对这些单元的力学性质进行赋值。这些细观基元可以借助有限元法作为应力分析工具来计算其受载条件下的位移和应力。在此基础上,通过基元破坏分析,考察基元是否破坏,从而获得基元材料性质的新状态。RFPA2D-Centrifugal将细观基元的自重以线性关系、按一定步长逐渐增加,每增加一次,有限元计算程序将进行迭代计算,寻找外力与内力的平衡,同时进行破坏分析,直至边坡宏观失稳破坏,求得数值模型的滑动破坏面,以获得最大破坏单元数的计算步作为边坡失稳的临界点,计算相应的安全系数。

【典型算例】

圆形巷道          方形巷道         拱形巷道
     巷道的离心加载破裂过程(RFPA2D-Centrifugal模拟)

强度折减版--RFPA2D-SRM

二维真实破裂过程分析软件【强度折减版】--RFPA2D-SRM是在RFPA2D-Basic的基础上,将强度折减基本原理引入真实破裂过程分析[RFPA]方法中而推出的新版本。运用该版本可进行边坡、岩土工程稳定性分析,该版本的数值计算方法全面满足静力许可、应变相容、以及岩土体的非线性应力-应变关系,在求解安全系数时,无需假定滑动面的具体位置和形状,也无需进行条分,程序可自动求得滑动面;模拟过程中能够跟踪边坡起裂、裂纹发展和滑动面的形成过程;对安全系数的计算中,以基元破坏个数的最大值作为边坡失稳的判据,方法简单、有效;能够对复杂地质、地貌的岩、土质边坡进行稳定性分析,不受边坡几何形状和结构的限制,边坡中的不同构造、产状和特性的结构面均可以在数值模型中得以再现,能够为深入研究边坡的稳定性提供理论支持并为边坡的设计提供指导。

强度折减(Strength Reduction),是在有限元计算中将岩或土体强度参数(包括抗剪、抗拉强度)逐渐降低直到其达到破坏状态为止。程序可以自动根据计算结果得到破坏面(应变突变的地带),同时得到强度储备安全系数。

RFPA2D-SRM基于对岩石细观层次结构的认识,假定岩石的细观力学性质具有统计性,首先把岩石离散成适当尺度的细观基元,对于这些组成材料的细观基元,考虑其非均匀性特性,按照给定的Weibull统计分布函数,对这些单元的力学性质进行赋值,这样就生成了非均匀岩土结构的数值模型。这些细观基元可以借助有限元法作为应力分析工具来计算其受载条件下的位移和应力。在此基础上,通过基元破坏分析,考察基元是否破坏,从而获得基元材料性质的新状态。RFPA2D-SRM 将细观基元的强度以线性关系、按一定步长逐渐折减,每折减一次,应力分析程序将进行迭代计算,寻找外力与内力的平衡,并在此基础上进行破坏分析,直至边坡宏观失稳破坏,求得边坡的滑动破坏面。

另外,在以往的强度折减方法在模型中主要考虑剪切破坏准则,而很少考虑拉伸破坏的影响。但在实际问题中,拉伸破坏也是是诱发边坡失稳的重要因素,必须在模型中加以考虑。因此,RFPA2D-SRM 的细观本构模型在引入剪切强度准则的同时,还引入了拉伸破坏准则,尝试运用剪切和拉伸两种准则实现对岩土细观破坏的判断,进而得到岩土结构稳定性分析的结果。

【典型算例】


破裂模式


位移矢量场
层状岩质边坡稳定性分析的结果(RFPA2D-SRM模拟)

破裂模式

剪应力场图
具有两组平行节理的岩质边坡稳定性分析结果(RFPA2D-SRM模拟)

蠕变分析版--RFPA2D-Creep

      二维真实破裂过程分析软件【蠕变分析版】--RFPA2D-Creep是继RFPA2D-Basic推出的新版本。主要应用材料、工程结构在蠕变作用下的破裂过程数值试验。RFPA2D-Creep即从岩石材料内在物理力学性质随时间劣化及岩石内部细观损伤积累等观点出发,在细观弹性损伤模型的基础上,引入细观单元力学特性的退化方程,从而揭示损伤累计和变形局部化与整体加速蠕变的关系,为从细观损伤演化过程揭示岩石宏观蠕变破坏的研究提供一种新的方法。
      RFPA2D-Creep的细观损伤蠕变模型建立在弹性损伤本构关系之上,并认为细观非均匀性是造成岩石宏观非线性的根本原因,用统计损伤的本构关系考虑岩石材料的非均匀性和缺陷分布的随机性,并把这种材料性质的统计分布假设结合到数值计算方法(如有限元法)中。在细观结构上,把岩石材料看作是由大小相同的四边形单元组成,组成材料的单元同时作为有限元分析的单元,并对满足给定强度准则的单元进行破坏处理,使得非均匀岩石材料破坏过程的数值模拟得以实现。在考虑材料力学性质非均匀性的前提下,用细观上简单的本构模型研究复杂的材料破坏过程。

【典型算例】


蠕变破坏过程中的声发射特征
岩石试样在单轴恒定载荷下的蠕变破坏过程(RFPA2D-Creep模拟)

地下巷道的蠕变破坏过程及应力场分布(RFPA2D-Creep模拟)

动态分析版--RFPA2D-Dynamic

二维真实破裂过程分析软件【动态分析版】--RFPA2D-Dynamics是作者在RFPA静态版本基础上开发了岩石破裂过程分析RFPA的动态分析程序。该程序可以以一个应力波或初始速度作为输入,按照时间步长进行逐步分析。在每个时间步,必须要考虑质量和加速度对于力学平衡的影响,用弹性动力有限元程序进行应力分析,用最大拉应力准则和摩尔库仑准则判断单元是否损伤(这里可以引入应变率对于单元强度的影响)。

【典型算例】


动态光弹物理实验结果 动态光弹数值试验结果(RFPA2D-Dynamic模拟)

圆盘试样在动态冲击载荷作用下应力分布(RFPA2D-Dynamic模拟)

圆盘试样在动态冲击载荷作用下应力分布及破裂模式(RFPA2D-Dynamic模拟)

动态载荷作用下的应力分布及破裂模式(RFPA2D-Dynamic模拟)

瓦斯分析版--RFPA2D-Gasflow

二维真实破裂过程分析软件【瓦斯分析版】--RFPA2D-Gasflow是继RFPA2D-Basic版推出的新版本,也称“瓦斯煤岩破裂过程分析系统”。主要用于含瓦斯煤岩破裂过程中的数值模拟试验研究,包括煤岩试样的基本力学性质试验(单轴压缩、双向压缩、单轴拉伸、双向拉伸、剪切试验、蠕变试验、加荷卸荷试验等)和基本渗流性质试验;含瓦斯煤岩突出过程数值模拟试验(石门突出、上山突出以及延期滞后突出等);以及采动影响下含瓦斯煤岩破裂过程中渗透性演化数值模拟试验和瓦斯抽放防治煤与瓦斯突出数值模拟试验。数值计算结果能够直观形象地显示含瓦斯煤岩破裂过程中岩体应力场、瓦斯流场的演化及声发射的时空展布特征。

【典型算例】


石门掘进诱发煤与瓦斯突出过程的应力场演化(RFPA2D-Gasflow模拟)

开采诱发的岩层破断运移过程及煤层中瓦斯抽放孔周围的瓦斯压力分布(RFPA2D-Gasflow模拟)

抽放作用下瓦斯渗流瓦斯压力变化过程(RFPA2D-Gasflow模拟)

温度分析版--RFPA2D-Thermal

二维真实破裂过程分析软件【温度分析版】--RFPA2D-Thermal是继RFPA2D-Basic版推出的新版本。利用该版本可广泛开展岩石、混凝土、复合材料热载下的变形、破坏试验,亦可对实际工程中的热载荷进行数值计算分析,计算分析可直观的得到实验及工程实体中的温度场、应力场、位移场及声发射(微震)场的时空演化规律。

【典型算例】  

复合材料在温度载荷作用下的“脱层”破坏(RFPA2D-Thermal模拟)

温度场演化

应力场演化

声发射场演化

某核废料处理井筒实验中井筒间柱岩体剥离破坏的数值模拟(RFPA2D-Thermal模拟)

RFPA数值模拟结果                                      物理实验结果

多项材料试件在升温下的破裂模式(RFPA2D-Thermal模拟)

渗流分析版--RFPA2D-Flow

      二维真实破裂过程分析软件【渗流分析版】--RFPA2D-Flow是继RFPA2D-Basic版推出的新版本。RFPA2D-Flow可建立描述非均质岩体渗流-应力-损伤耦合作用物理模型,可研究岩体应力状态的变化和损伤破坏过程中渗透性的演化规律对其渗透性的影响,包括应力-应变-渗透系数全过程分析,裂纹萌生、扩展贯通过程渗透性变化规律;渗流过程对水压力作用岩石应力分布及其损伤演化的影响,包括孔隙水压力对岩石破裂模式的影响等;非均匀性对岩石的渗流-应力-损伤耦合机制的影响等等;利用该版本可进行岩石(体)基本渗流特性的模拟研究,亦可进行水工中岩石(体)流-固耦合问题的数值计算分析,如可开展水力水电工程中各类坝体渗流场、孔隙压力场、微震时空展布等特征的计算分析,对承压水煤层开采等工程中的突水等突发性地质灾害的预测预报。

【典型算例】


岩石试样加载破坏中声发射、应力应变及渗透率变化曲线(RFPA2D-Flow模拟)

岩石试样加载的破坏模式、声发射场及渗流场(RFPA2D-Flow模拟)

地下工程施工诱发结构破坏及渗流场变化(RFPA2D-Flow模拟)

岩石试件水压力作用下的致裂过程模拟(RFPA2D-Flow模拟)


岩层分析版--RFPA2D-Strata

      二维真实破裂过程分析软件【岩层分析版】--RFPA2D-Strata是继RFPA2D-Basic版推出的,主要面向岩土工程的应用分析。新版的RFPA2D-Basic版引入了松散系数,实现了对冒落岩体碎胀的模拟再现,使得岩层移动(垮落)的模拟更加符合实际。利用该版本可对地下工程诱发的地表沉陷、岩层移动、巷道破坏、顶板冒落等工程灾害展开应力场、位移场及声发射模式(微震)的实时监测。 如:(1) 采矿诱发的岩层移动规律模拟分析;(2) 地下工程施工诱发的地表沉陷计算模拟分析;(3) 隧道群的变形破坏过程计算模拟分析。

【典型算例】

多煤层开采顶板冒落过程模拟(RFPA2D-Strata模拟)

隧道群的变形破坏过程计算模拟分析(RFPA2D-Strata模拟)

基本版--RFPA2D-Basic

    二维真实破裂过程分析软件【基本版】--RFPA2D-Basic 是RFPA2D系列软件中的最基础的版本,集中了RFPA2D系列软件的基本功能,包括前处理建模模块、有限元计算、后处理分析独立模块。能满足基本的岩石力学基本试验教学,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。

【典型算例】

岩石试样单轴压缩破坏及声发射模式(RFPA2D-Basic模拟)

岩石试样单轴拉伸、压缩破坏及载荷与加载步曲线(RFPA2D-Basic模拟)

地下工程开挖引起的地应力场分布(RFPA2D-Basic模拟)

预设双裂缝的试件加载破坏模拟结果(RFPA2D-Basic模拟)

接触面剪切模拟结果(RFPA2D-Basic模拟)

岩石颗粒破裂数值模拟结果(RFPA2D-Basic模拟)

巴西试验数值模拟结果(RFPA2D-Basic模拟)

刀具破碎岩石过程的数值模拟(RFPA2D-Basic模拟)