FDEM-Irazu的数值模拟流程和材料参数选择

1 引言

联合的有限元-离散元方法(FDEM)最初由Munjiza等人(1995)提出，这种数值方法允许对多个相互作用的物体进行动态模拟。模拟可以从单一的完整域或离散完整体的集 合开始，随着模拟的进行，这些体可以产生弹性变形、平移、旋转、相互作用，并在满足某些断裂准则后发生断裂，从而产生出新的离散体。然后，新产生的体可以进行进一步运动、相互作用、变形和断裂。该方法联合采用了有限元法(FEM)技术评估变形和评价断裂的破坏准则，以及采用了离散元法(DEM)的概念来检测新的接触和处理离散体的平移、旋转和相互作用。

FDEM的建立思想类似于真正的离散元如UDEC和3DEC的刚性块体算法，不同之处在于FDEM离散的块体不需要预先划分，而是使用断裂力学的判别准则进行自动处理。Irazu软件基于FDEM的理论开发，这种模拟对于深部采矿边坡(>500m)和石油工程(钻孔和HF)的岩石稳定性研究具有一定参考价值。应当指出的是，尽管在一些文献中把这种方法也称作Hybird，但是它与采矿岩石力学传统使用的Hybird方法含义不一样，采矿岩石力学中指的Hybird方法是开挖边界附近的围岩用离散元，而远域用有限元或边界元。

本文首先简述了Irazu的模拟工作流程(Simulation workflow)，然后讨论了力学材料参数的选择，包括弹性属性、强度属性、罚系数和阻尼系数。

2 模拟流程

一个典型的模拟工作流程包括以下步骤：

2.1 创建几何体

Irazu提供了简单的几何体创建功能，相对其它数值模拟软件来说，它的几何操作功能还是很弱的，对于三维几何体来说，只可以从外部导入*.dxf几何文件。

2.2 网格划分

Irazu的网格划分是通过在后台调用开源软件Gmsh进行的，它本身没有提供网格划分功能，划分的网格保存为Abaqus的*.inp文件。

2.3 模型构建

对特定网格模型的控制参数、材料属性和边界条件进行设置。典型的用户界面如下所示：

(1) Run Options

(2) Materials

(3) Boundary Conditions

(4) Discrete Fracture Network

(5) In-Situ Stresses 

2.4 运行模型