rfpa系統(tǒng)介紹課件

巖石細觀統(tǒng)計損傷模型巖石破裂過程數值試驗主講人：譚志宏1精選2021版課件第一部分RFPA系統(tǒng)概述第二部分RFPA系統(tǒng)的基本原理第三部分RFPA-Basic可研究的問題第四部分RFPA-Basic軟件平臺介紹第五部分工程算例模擬演示主要內容2精選2021版課件一、RFPA系統(tǒng)概述3精選2021版課件§RFPA系統(tǒng)概述◆RFPA是RealisticFailureProcessAnalysis的簡稱。它是一種基于有限元應力分析和統(tǒng)計損傷理論的材料破裂過程分析數值計算方法，是一個能夠模擬材料漸進破裂直至失穩(wěn)全過程的數值試驗工具。該方法的一個重要特色是考慮了材料性質的非均勻性，是一種通過非均勻性模擬非線性、通過連續(xù)介質力學方法模擬非連續(xù)介質力學問題的材料破裂過程分析新型數值分析方法。

4精選2021版課件◆巖石力學問題，廣義的講包括巖石的破壞問題。巖石之所以產生非線性變形，是因為巖石在受載過程中其內部不斷產生微細破裂的緣故。這種微細破裂的不斷發(fā)展便導致最終的宏觀破裂。通常的有限元方法盡管可以模擬演示的非線性變形，但只是在宏觀上的一種“形似”，而沒有模擬出巖石在變形過程中微破裂過程，因而不能做到“神似”?！魹榱私鉀Q巖石破裂過程的分析，采用有限元法、有限差分法、邊界元法、離散元法等數值模擬方法在全面解決復雜的巖土工程問題，例如巖石材料的非線性問題、巖體中節(jié)理、裂隙等不連續(xù)面對分析計算的影響等等方面不同程度的存在缺陷。1995年軟件系統(tǒng)創(chuàng)始人唐春安教授針對這些問題提出了基于有限元基本理論，充分考慮巖石破裂過程中伴隨的非線性、非均勻性和各向異性等特點的新的數值模擬方法“RFPA方法”，即真實破裂過程分析方法。§RFPA系統(tǒng)概述5精選2021版課件§RFPA方法的主要要點◆將材料的不均質性參數引入到計算單元，宏觀破壞是單元破壞的積累過程?！粽J為單元性質是彈-脆性或彈-塑性的，單元的彈模和強度等其他參數服從某種分布，如正態(tài)、韋伯、均勻等?！粽J為當單元應力達到破壞的準則將發(fā)生破壞，并對破壞單元進行剛度退化處理，故可以以連續(xù)介質力學方法處理物理非線性介質問題?！粽J為巖石的損傷量、聲發(fā)射同破壞單元數成正比。6精選2021版課件二、RFPA系統(tǒng)的基本原理7精選2021版課件RFPA是一個以彈性力學為應力分析工具、以彈性損傷理論及其修正后的Coulomb破壞準則為介質變形和破壞分析模塊的巖石破裂過程分析系統(tǒng)。其基本思路是：巖石介質模型離散化成由細觀基元組成的數值模型，巖石介質在細觀上是各向同性的彈-脆性介質；假定離散化后的細觀基元的力學性質服從某種統(tǒng)計分布規(guī)律（本書引入韋伯分布），由此建立細觀與宏觀介質力學性能的聯系；按彈性力學中的基元線彈性應力、應變求解方法，分析模型的應力、應變狀態(tài)。RFPA利用線彈性有限元方法作為應力計算器；引入適當的基元破壞準則（相變準則）和損傷規(guī)律，基元相變臨界點用修正的Coulomb準則和拉伸截斷的庫侖準則；基元的力學性質隨演化的發(fā)展是不可逆的；基元相變前后均為線彈性體；巖石介質中的裂紋擴展是一個準靜態(tài)過程，忽略因快速擴展引起的慣性力的影響。8精選2021版課件§非均勻介質單元劃分標準◆從提高計算速度的角度講：自然是單元取得大些比較合適，但較大的單元不僅不能反映細觀非均勻的力學性質，使模型不能很好地反映工程實際，而且較大的單元尺寸本身也會給計算帶來較大的誤差?！魪挠嬎憔鹊慕嵌戎v：在計算機速度允許的情況下，應盡可能的將單元劃分得小些，這樣不僅能夠使模型更加真實地反映實際，而且也有利于提高計算的精度。9精選2021版課件◆

單元大小的劃分標準：根據精度，是否將單元劃分的越小越好呢？未必！大家知道，在斷裂力學中，為了數學處理的方便，裂紋的兩端被假設為無窮小的尖端。然而，按照這一假設，所計算出的裂紋尖端處的拉應力為無窮大。這意味著什么？意味著只要給定任意有限值得加載，裂紋便會迅速擴展，這顯然是與實際情況不相符的。造成這一錯誤結論的原因是，在現實的介質特別是巖石介質中，裂紋尖端實際上是有一定尺度的。這一尺度是與介質的基本細觀性質有關的，我們稱之為介質的細觀特征尺度。因此，單元大小的劃分標準為：只要數值模型中的單元尺寸能夠反映或者基本反映這種細觀特征尺度，那么該模型的單元尺寸就是合理或者基本合理的?！旆蔷鶆蚪橘|單元劃分標準10精選2021版課件§基元的引入◆細觀力學認為；通過細觀單元的變形、破壞的個體行為的積累來反映宏觀行為的演化，為研究介質變形和破裂的宏觀行為提供了一種新的途徑。所謂的基元，是構成介質的基本細觀尺度單元，是在物理力學性質方面能夠代表介質特征的最小單元。基元是介質破裂研究最基本的單位，破裂就是基元的破裂，比基元更小的破壞是不存在的。在巖石破裂過程分析RPFA系統(tǒng)中，為了能夠充分考慮介質力學性能的非均勻性以及由這種非均勻性引起的變形、破裂過程的復雜性，我們引入了三種特性的基元，即基質基元、空氣基元和接觸基元。11精選2021版課件§基元的三種形態(tài)◆

基質基元；是指基元在模型中的當前功能為實體介質。它的性能由巖石的本構關系來描述?！艨諝饣?；是指基元在模型中的當前功能為虛體特性。當單元介質在拉應力條件下發(fā)生斷裂后，形成斷裂面。就斷裂面的物理本質而言，也就是應力的傳遞在此出現不連續(xù)或中斷。通常的數值計算方法解決這一問題的方法是將單元中的節(jié)點分開，或者是將單元從模型中去掉。但是，這樣做的結果使得模型的數學處理變得極其復雜，而且一般不適合多裂紋、特別是多裂紋相互交叉的情形。RFPA系統(tǒng)采用的裂紋處理方法，即空氣基元。當基元介質發(fā)生斷裂后，我們不是將該單元從模型中去掉，而是用彈模極低的基元性質取代原有的實體基元的性質，由于新的基元彈模極低，可以近似的認為實體介質的行為已不存在，這樣在不改變模型數學結構的前提下，卻可以使得模型在總體特性上能夠反映出因基元破裂而引起的物理特性的改變。12精選2021版課件◆接觸基元；壓、剪破壞后的基元在一定范圍內維持殘余強度狀態(tài)。但是，對于現實中的介質來說，破壞后的介質在繼續(xù)受壓應力、特別是各向均受壓應力的條件下，將出現所謂的壓密或壓實現象，其力學表現則是壓密后的介質剛度不僅不降低，反而出現上升。對于已經形成的裂紋面而言（即空氣基元），當裂隙兩面的介質在壓應力作用下產生接觸時，則應力仍可以通過接觸面?zhèn)鬟f。這時，則可以通過激活空氣基元，使其剛度增加，起到傳遞應力的作用。這就是所謂的接觸基元特性。在上述兩種情況下，接觸基元只能傳遞壓應力，而不能傳遞拉應力。即當存在拉應力時，接觸基元立刻轉化成空氣基元?！旎娜N形態(tài)13精選2021版課件§三種基元在不同條件下的轉化基質基元空氣基元接觸基元受拉應力破壞進行剛度退化處理裂紋兩面的介質受壓作用產生接觸，接觸面?zhèn)鬟f壓應力激活空氣單元，單元剛度增加當壓應力變?yōu)槔瓚r，進行剛度退化處理受壓應力破壞進行剛度強化處理14精選2021版課件§基元的相變◆所謂基元的相變，三種基元在一定條件下，將由一種突然轉化為另一種，這種其力學性質全然改觀，叫做相變。其臨界條件即為相變點。15精選2021版課件分離相殘余相彈性相殘余相接觸相基元及其特性分離點相變點2相變點1接觸點圖中個參數的意義:——1類相變閥值——1類相變殘余閥值——2類相變閥值——2類相變殘余閥值——最大壓應變——極限壓應變——最大拉應變——極限拉應變①基元相變之前，它代表實際的完好介質，具有線彈性應力-應變特性。②基元相變之后的一定范圍內，它代表相變后階段的弱介質，具有殘余閥值特性。③如果相變后的基元被高度擠壓，則基元猶如被壓密的介質。如果相變后的基元受拉，使其拉應變達到一定的值時不再將基元看成是它所代表的介質，處理成空氣基元。16精選2021版課件§RFPA分析過程流程圖開始實體建模和網格劃分，用統(tǒng)計分布函數，賦每一個基元的剛度和相變值等施加荷載產生一個新的邊界位移或載荷形成新的剛度矩陣將相變基元進行弱化處理線彈性有限元求解器計算基元節(jié)點力和位移根據相變準則判斷是否有基元相變加載是否需要結束結束是否是否實體建模應力分析相變分析17精選2021版課件三、RFPA-Basic可研究的問題18精選2021版課件§RFPA-2D基本版◆RFPA-2D基本版：集中了RFPA系列軟件的基本功能，可進行巖石、混凝土等脆性材料受載的變形破壞分析，其聲發(fā)射模式的探測，亦可進行簡單的工程應用分析，如地下工程開挖及支護過程中的應力場、位移場監(jiān)測及聲發(fā)射（微震）監(jiān)控等。

請看巖石材料單軸壓縮的破壞過程……19精選2021版課件巖石材料單軸壓縮的破壞過程及聲發(fā)射20精選2021版課件四、RFPA系統(tǒng)平臺介紹21精選2021版課件§RFPA系統(tǒng)平臺介紹Ⅰ、RFPA系統(tǒng)計算方面的特點：①允許模擬計算由于分步開挖引起的應力重新分布對進一步變形和破壞過程的影響，也就是說在模擬地下開采中伴隨的破壞過程時更接近于實際情況。②可以通過專門提供的作圖工具和參數輸入模塊，在模型中考慮模擬材料的微觀缺陷，也可以考慮節(jié)理、裂隙等宏觀缺陷。③可以模擬自重引起的破壞過程，新的RFPA2D軟件系統(tǒng)增加了對地下工程開挖，地下破壞、地表沉陷、采動影響下煤巖頂板冒落、邊坡失穩(wěn)等問題的模擬功能。④增加了對多種統(tǒng)計分布函數如韋伯分布、正態(tài)分布、均勻分布等在材料特性中的嵌入，來考慮材料力學參數（強度、彈模等）的非均勻性分布特征，從而可以從本質上研究巖石變形的非線性特征。⑤新的RFPA2D軟件系統(tǒng)增加了對流固耦合（如：水力壓裂、底板突水、水工中巖石、體滲流）、氣固耦合（媒巖體瓦斯突出）、溫度應力場耦合問題的模擬分析功能。⑥邊坡穩(wěn)定性分析模塊，主要為強度折減法和離心機法。22精選2021版課件Ⅱ、RFPA系統(tǒng)使用方面的特點：RFPA2D軟件系統(tǒng)由于從設計到具體的實現過程就時刻注意到系統(tǒng)的可視化，所以新系統(tǒng)的用戶界面不出現任何與數值計算方法有關的術語，用戶無需掌握專門的數值計算方法，只需提供與研究對象有關的幾何參數和力學參數，就可以用幾何作圖方式構造力學模型；所有操作都是針對圖形進行的。用戶只需利用內藏的高性能作圖工具繪出結構物的圖形，并為組成結構物的各個部分指定材料的力學參數，然后指定邊界條件，即可進行計算分析。①賦值（前處理）。RFPA對任何一個實際模擬對象的賦值，包括網格大小、力學參數、邊界條件、加載條件等，都是基于面向用戶的對話框。②計算。RFPA可快速進行100,000個單元以上的模型分析計算，而且最大容量只取決于計算機的硬件性能。在RFPA系統(tǒng)中，應力分析和相變分析（破壞分析）是相互獨立的，有限元僅完成應力、應變計算，不參與相變分析。但整個應力分析、相變分析過程是連貫依此完成的，不需要用戶進行任何干預。③顯示（后處理）。在RFPA中專門設置了一組顯示工具條和菜單欄用于對模擬結果進行顯示操作。RFPA實時顯示中間的計算結果，從而可以及時反饋給用戶計算進度。RFPA還具有對計算結果重畫圖形的功能，以便獲得更為理想的后處理結果。④

圖形編輯。RFPA具有對模擬結果圖形進行縮放、拷貝等編輯功能，還可以直接運用windows的剪切、復制、粘貼等功能將模擬結果圖形傳輸到圖形處理軟件（如MS-Word，CorelDraw等）進行后處理編輯。23精選2021版課件RFPA-2D工作平臺的裝入……Ⅰ：通過鼠標雙擊桌面上RFPA圖標裝入Ⅱ：通過開始菜單裝入，開始>>程序>>RFPAⅢ：通過WindowsExplorer中運行RFPAstudio.exe命令：c：\RFPA\RFPAstudio.exe24精選2021版課件初始工作平臺新建工程文檔打開已有的*rfp類型文檔25精選2021版課件設計平臺RFPA模型工作區(qū)顯示工具條基本工具條作圖工具條材料特性類型材料特性分布圖菜單條調色板狀態(tài)條26精選2021版課件工具條介紹

(toolbar)工具條：是為了方便菜單中的主要命令的使用而設置的快捷工具27精選2021版課件基本工具條New新建Open打開Save保存Print打印Copy復制Zoom縮放FullScreen全屏顯示Meshdividing網格劃分Boundaryconditions邊界條件Controlconditions控制條件Runstepbystep單步運行Autorun自動連續(xù)運行Stoprun強制停止運行28精選2021版課件作圖工具條Drawbymouse鼠標鍵盤輸入切換Materialproperty材料類型選擇Selectarea區(qū)域選擇Rectangle矩形Circle圓Line單直線Doubleline雙直線Polyline多線Polygon任意多邊形Compositematerial復合材料ClosedArc封閉弧Arc圓弧Anchor支護復合材料增強介質顆粒設置29精選2021版課件顯示工具條Shearstress剪應力圖Max.principalstress最大主應力圖Min.principalstress最小主應力圖Elastic彈性模量圖AcousticEmission聲發(fā)射圖e/AE彈模和聲發(fā)射圖Load-stepcurve載荷與加載步曲線AEcurve聲發(fā)射曲線AreaAE圈定聲發(fā)射圖Multi-ElementInformation多單元信息Slideplay幻燈播放Displacementvector位移矢量圖Stressvector應力矢量圖30精選2021版課件§顏色灰度調整顏色灰度調整(ColorAdjustment):用戶根據自己的研究和興趣需要，可進行結果圖顏色灰度的調整；單擊左邊顏色框，調節(jié)右邊Minimum和Maximum滑動按鈕。31精選2021版課件§網格劃分YLength(mm),Xlength(m):Y方向和X方向的尺寸均為所研究問題的實際尺寸，單位為毫米，建立模型的時候需要將實際尺寸換算成毫米，單元尺寸為實際尺寸除單元個數。Rows(Elements),Cols(Elements):單元列數和行數，單元尺寸的劃分原則前面已講述。HeterogeneityIndex行：為均質度，weibull統(tǒng)計分布函數中的參數m，反映巖石介質的均質性。若模擬地下工程等必須考慮模型本身的重力的工程問題時，需要輸入自重的參數，注意自重的單位：N/mm3。MeanValue:為單元物理力學參數的平均值。Weibull分布函數：32精選2021版課件§強度特性設置摩擦角(Friction)：材料在垂直力作用下發(fā)生剪切破壞時錯動面的傾角（材料固有）。壓拉比(C/Tratio)：材料抗壓強度與抗拉強度的比值。殘余強度百分比(Residualstrength(%))：破壞后的殘余強度與破壞前強度的比值。殘余泊松比百分比(Residualpoisson(%))：破壞后的泊松比與破壞前泊松比的比值。最大應變(Maximumstrain)：極限最大應變與彈性最大應變的比值（理解參見基元與其特性）。33精選2021版課件§力邊界條件設置加載方式(Loadmode)：位移加載、應力加載、圍壓控制、自由。加載初始步(Initialstep)：開始施加力邊界條件的開始步。加載初始值(Initialvalue)：計算循環(huán)中加載起始步的值（選擇不同的加載方式則對應不同的加載值）。加載增量(Increment)：兩個加載步之間變化量。正值表示壓，負值表示拉。加載終值(Finalvalue)：用于設置加載循環(huán)中某方向上的終值。加載終止步(Finalstep)：設置加載的終止步。34精選2021版課件§控制條件設置執(zhí)行完網格劃分命令就要對模擬區(qū)進行控制條件設置?？偪刂撇?Totalstep)：控制整個程序的循環(huán)計算步。也就是所計算的循環(huán)步最終取決于此處的步數。步中步(stepInstep)：根據計算精度而顯示的兩步之間的小步。求解類型(Loadtype)：可進行平面應變問題、平面應力問題和軸對成問題的求解。重力方向(Weightdirection)：重力方向的確定。35精選2021版課件系統(tǒng)自定義

(selfdefine)36精選2021版課件§系統(tǒng)自定義(selfdefine)圖片類型和尺寸(PictureTypeSize)結果圖類型(Type)：此命令主要是定義在模型計算完成后要顯示圖形的類型和尺寸。根據研究問題的需要將相應的結果圖選項上鉤上即可。圖形尺寸(Size)：對系統(tǒng)生成的結果圖進行大小設置，選Default默認，系統(tǒng)根據窗口大小隨機生成。矢量單元間隔(Vectorelementintervals)：因為要表示矢量場，用箭頭表示矢量的大小方向，箭頭方向為矢量方向，箭頭長短表示矢量大小。位移矢量放大系數(Displacementvectoramplifiedcoeff)：為了計算結果顯示的我們能更好的看清以說明問題，對原始矢量大小給予適當的放大。應力矢量放大系數(Stressvectoramplifiedcoeff)：解釋同位移放大系數。注：這些參數定義可在計算運行命令之前執(zhí)行，也可在計算命令之后執(zhí)行。37精選2021版課件顯示步(Showstep)顯示步(Showstep)：此命令在設置重畫計算結果圖時候設置，設置重畫計算步的間隔。也可在inputredrawstep下面直接輸入要重畫的計算步，用英文狀態(tài)下的逗號相隔。重畫(Redraw)：是系統(tǒng)對計算數據進行重新生成圖像的操作，原計算數據不變化，只是新生成的結果圖將覆蓋和上次生成的名稱相同的圖形。不同于系統(tǒng)重置(reset)?！煜到y(tǒng)自定義(selfdefine)38精選2021版課件聲發(fā)射圖設置(AEPictureSetting)聲發(fā)射圓大小(Typesize)：設置聲發(fā)射圓大?。ù硐鄬δ芰炕蛘鸺壌笮。?，Amplifiedradius是指在原能量圓大小的基礎上放大的倍數。所有步(Forallsteps)：顯示當前所有步的聲發(fā)射圓。當前步(Forcurrentstep)：顯示當前單步的聲發(fā)射圓。發(fā)射圓顏色(AEcolor)：用聲發(fā)射圓顏色進行區(qū)別單元的破壞是抗拉破壞、抗壓破壞、還是抗剪破壞。雙擊顏色框進行調節(jié)?！煜到y(tǒng)自定義(selfdefine)39精選2021版課件高級設置(AdvancedSetting)主要對破壞后和空氣單元的參數進行調整(初學者將詞項默認)。分離系數(Detachedcoeff)：主要為了處理破壞后單元的顯示狀態(tài)，當破壞單元的變形(受拉)達到分離系數指定的變形量時，認為單元已徹底分離，將不在顯示此單元，值為1-100。設置為5時，表示當單元的最大變形超過5倍單元原始尺寸時，不再顯示此單元?；叶认禂?Graydegreecoeff)：是通過去掉高亮度單元來調整總體的亮度范圍，值在0—1之間，其意義為：假設模型單元數為10，000個，灰度系數為0.01，則表示在顯示時去掉10，000×0.01=100個最亮的個單元級別。大位移(Largedisplacement)：是在處理自重問題時，當破壞的單元下落的位移超過設置值時，則認為破壞單元脫離母體單元，值為單元邊長的倍數?！煜到y(tǒng)自定義(selfdefine)40精選2021版課件變形放大系數(Deformation)：對破壞模型的尺寸在顯示時做放大處理，如有時計算完成后發(fā)現模型沒有變化則可能是放大系數設置的太??；反之，當計算完成后顯示的圖形出現全黑時，則有可能是因為放大系數設置過大的緣故。計算精度系數(Accurateofstress)：表示控制計算精度，如設置為0.0001時，則表示當破壞單元達到總單元數萬分之一時，系統(tǒng)不再做當前不的循環(huán)計算?！煜到y(tǒng)自定義(selfdefine)其他設置(Otherssetting)41精選2021版課件五、工程算例模擬演示42精選2021版課件◆巖石的壓縮加載數值試驗◆巖石的剪切加載試驗★RFPA工程算例（基本模塊）43精選2021版課件§RFPA計算步驟（三大步）構造模型（前處理）1建立工程文檔2網格劃分和參數賦值3插入模型結構4邊界條件和控制條件計算單步運行連續(xù)運行結果分析（后處理）44精選2021版課件§巖石的壓縮加載數值試驗試驗內容：◆巖石壓縮加載的應力-應變曲線◆破壞模式◆聲發(fā)射45精選2021版課件第1步：模型建立及參數選擇模型：

試樣模型尺寸150mm×100mm，網個劃分為150×100個基元。采用平面應力問題，整個加載過程通過位移加載方式。加載位移量△s=0.00