[发明专利]一种基于离散单元法的声发射模拟方法及系统

说明书

本发明涉及一种基于离散单元法的声发射模拟方法及系统，所述模拟方法包括：在计算模型表面布置监测点；监测所述监测点的速度波形；对所述速度波形进行分析，得到声发射数、能量以及b值。本发明中的上述方法能够解决传统的声发射模拟方法存在原理不符、真实性差、计算资源占用过高的问题。

技术领域

本发明涉及声发射模拟领域，特别是涉及一种基于离散单元法的声发射模拟方法及系统。

背景技术

理解岩石的破裂过程对很多工程具有重要意义。然而，很少有方法能直观看到这一过程，研究者们常常借助其他手段来进行研究。这其中最主要的技术手段就是声发射，其主要优点在于能实现岩石破裂过程中的无损监测和连续监测。

室内对岩石样品的声发射试验能得到可靠的声发射结果，但它往往有很多限制条件。如ISRM(International Society for Rock Mechanics,国际岩石力学学会)对岩石样品的尺寸和端面不平整度做了严格规定，而野外采样难以保证岩石样品的完整性；岩石样品从野外运输至室内不确定性因素很多，要保证岩石样品的完好需要大量的人力物力财力；此外，该实验要求周围低噪音的实验环境。实验过程中也难以保证对单一因素的控制，降低了实验结果的可对比性。

数值模拟可以克服实验技术上的不足，是对岩石破裂过程研究的有力手段。离散单元法在模拟岩石宏观破裂、损伤演化方面具有显著优势，是模拟岩石破裂的主流方法之一。在离散单元法中，岩石材料被表示为离散化的颗粒的组合体，他们之间通过粘结键相连接。这些颗粒的运动和颗粒间的相互作用实现了受力岩石的破裂过程。当外界作用力超过了粘结键的强度时，这些粘结键将发生断裂，对应了实际岩石样品的裂纹扩展。在模拟声发射这一问题上，基于离散单元法的颗粒流程序PFC(Particle Flow Code)，Hazzard和Young在2000年率先提出了一种方法，是通过监测粘结键断裂时周围的颗粒动能，并将其用于直接量化震源辐射的声发射能量。通过在空间和时间上对多个粘结键的断裂进行聚类分析，最终得到了花岗岩的声发射特征。2002年，Hazzard和Young引入了粘结键断裂时变化的力矩张量这一参数，改进了上述方法，成功模拟了岩石破裂过程中的声发射实验。这一方法巧妙利用了离散单元法的特点，能够较好地模拟声发射，因此被广泛应用至今。然而许多学者指出该方法存在许多问题：①该模拟技术并非根据真实声发射实验的原理。真实的声发射实验是通过在岩石试样表面布置监测点，在监测点处安装压电传感器，直接监测试样表面的法向运动分量，并对得到的运动波形进行分析，最终得到声发射特征参数。而该模拟技术是通过监测粘结键断裂时的矩张量变化。因此二者的原理存在明显差异；②该模拟技术只能监测新裂纹扩展，不能监测裂纹扩展后的重新活动，如摩擦导致的声发射不能被监测到。由于模拟技术直接监测的矩张量变化，一个或多个临近的粘结键断裂时视为一个新的声发射事件，并没有考虑裂纹的重新活动，因此很多声发射活动不能被记录下来，不能真实反映声发射；③计算矩张量的变化将占用较多的计算资源，延缓模拟速度，导致计算效率偏低。

针对以上矩张量法模拟声发射技术的原理不符、真实性差、计算资源占用较多的问题，我们提出了一种基于离散单元法的声发射模拟方法及系统。

发明内容

本发明的目的是提供一种基于离散单元法的声发射模拟方法及系统，解决现有技术中模拟声发射技术的原理不符、真实性差、计算资源占用较多的问题。

为实现上述目的，本发明提供了如下方案：

一种基于离散单元法的声发射模拟方法，所述模拟方法包括：

在计算模型表面布置监测点；

监测所述监测点的速度波形；

对所述速度波形进行分析，得到声发射数、能量以及b值。其中，声发射数被定义为超过门槛值并导致系统通道积累的信号数据，它与裂纹增长成正比；能量被定义为信号波形的平方，它与破裂的震级成正比，第i个数据的能量E(i)计算公式如下：