有幸参与起草岩体物理数学模拟发展报告！

近日，有幸参与起草了《2020-2021岩石力学与工程学科发展报告》专题报告《岩体工程数值模拟及工程软件研究进展》的“非连续分析及与连续方法的耦合分析”和“水平岩层运动并行计算系统”。

现将“水平岩层运动并行计算系统”初稿摘录如下，敬请批评指正。正式内容以公布为准。

水平岩层运动并行计算系统

文/王学滨

研发了二维拉格朗日元与离散元耦合连续-非连续方法程序，适于模拟连续介质向非连续介质转化和非连续介质的进一步演化。计算模式包括准静力和动力。4个计算模块分别为应力-应变模块、开裂模块、接触-摩擦模块和运动模块。拉格朗日元方法被用于求解弹性体的变形问题；离散元方法被用于处理接触和摩擦问题；虚拟裂纹模型和强度理论被用于处理开裂问题。

部分研究进展如下：模拟了周期半正弦波冲击条件下洞室围岩的变形-开裂-垮塌过程，着重阐明了应力波反射和叠加导致洞室顶板开裂机理，解释了洞室两帮拉、剪裂相伴现象的原因，探讨了周期冲击载荷幅值的影响规律；模拟了不同冲击速度条件下矩形洞室围岩的变形-开裂过程；为了更准确地模拟连续介质向非连续介质转化，降低网格依赖性，发展了一种单元内部开裂方法。

在此基础上，进行GPU并行，形成了水平岩层运动并行计算系统。采动诱发的岩层的变形、开裂、离层、破断和冒落等可被呈现出来，多种条件下洞室围岩的开裂和坍塌以及岩块的弹射等也可被呈现出来。

在弹性阶段，对于连续介质，只引入两个弹性参数，无需引入影响应力、应变的有关刚度，因而，介质是真正的连续介质。采用点-单元接触算法取代单元-单元接触算法，精简了接触算法并使之适于GPU并行。以两个新的物理量取代传统的法向张开度和切向滑移量，构造了裂纹区段及之外单元构成系统的、带有弹性卸载的黏聚力计算表达式。

水平岩层运动并行计算系统已被用于模拟多个采场的岩层运动，效果良好。一个算例的结果如下。工作面推进方向垂直于纸面。计算条件为平面应变、大变形。单元颜色代表最大主应力（σ3，σ3≥σ1），正代表拉伸，负代表压缩。黑色线段代表剪裂缝，灰色线段代表拉裂缝。

该系统适于矿山岩石力学问题研究，具有需要参数少且这些参数容易获取的特点。

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