基于4D-LSM的隧道围岩爆破振动和损伤判定研究

针对四维晶格弹簧模型(four-dimensional lattice spring model,4D-LSM)在岩石爆破中的应用进行研究,介绍4D-LSM在隧道围岩爆破方面的基本要素,包括动力学方程、无反射边界条件以及基于多体破坏准则的岩石破坏模型等。针对隧道围岩爆破问题,采用4D-LSM建立隧道爆破围岩振动分析模型、单炮孔爆破模型以及围岩损伤模型等。在不同隧道爆破设计方案的基础上,通过几何简化和边界条件简化处理这些模型实现对给定爆破方案的隧道爆破围岩关键点峰值荷载速度的量化分析。针对单孔自由面爆破问题,对比离散晶格弹簧模型(distinct lattice spring model,DLSM)和4D-LSM模拟效果,展示了4D-LSM在处理岩石动态大变形破坏方面的优势。采用4D-LSM实现不同爆破设计参数下围岩损伤区深度的数值分析,结合质点振动速度实现对不同爆破方案的安全性评价。基于数值仿真对爆破方案安全性的敏感性定量评价为实现隧道岩石爆破方案的智能优化提供了支持。

地铁隧道上方近距离爆炸动力响应研究

随着我国城市化和工业化的不断推进,城市人口规模日益增大,为缓解交通压力而修建的地下轨道交通成为大中城市日常出行的重要交通方式。地铁隧道作为一种深埋在地下的构筑物,保障其结构安全有着重要的意义。在隧道运营期间,恐怖袭击和燃气管道爆炸等近距离爆炸会对隧道结构的稳定性造成巨大的影响。研究隧道在近距离爆炸作用下的破坏机理,并参考制定切实可行的防护措施和处置预案对确保隧道安全营运有重要意义。采用自研的数值模拟软件与工程实际相结合的方式开展研究。首先通过深埋隧道爆炸动力响应特征模型试验,对后续计算中采用的连续−非连续数值计算方法进行了验证。以广州地铁9号线某区段为例,建立4D-LSM数值计算模型,分析不同爆炸压力、隧道−爆源距离、有无衬砌等条件下的隧道动力响应及破坏特征。计算结果显示:受上方爆炸作用后,隧道拱顶、拱底左右两侧区域和隧道拱腰区域出现严重破坏;当爆源与隧道拱顶距离减小到一定值后,隧道破坏程度发生显著改变,可依据不同的响应特征划分破坏等级,并采取不同的防护措施。在相同爆压下,由于衬砌的支护作用,隧道拱顶振速减小,说明衬砌结构对隧道抗爆能力具有提升作用;爆炸压力越大,衬砌对爆炸冲击波的削弱作用越明显。

基于阿里云的四维弹簧模型并行运算性能

四维弹簧模型(Four-Dimensional Lattice Spring Model,4D-LSM)是一种考虑额外维相互作用的新型离散数值计算方法。该方法用于岩石破坏分析需要消耗大量计算资源,不适合在普通个人电脑上运行。基于多核并行技术,在阿里云和多核工作站等多种硬件环境下对4D-LSM的计算极限性能及瓶颈进行详细分析,主要研究了求解规模、求解类型、线程数、硬件配置等对4D-LSM求解效能的影响。研究发现,内存容量决定可计算的模型规模,弹性问题的计算时间与模型规模成正比,并行计算效率受CPU性能和内存带宽的共同影响。在不考虑经济因素的情况下,云计算在多核匹配和内存分配方面的灵活性特别适合于四维弹簧模型的并行计算分析。结果表明:基于阿里云的4D-LSM最大运算规模可以达到十亿单元,由于目前的瓶颈在于前后处理,4D-LSM目前的可分析规模仍然限制在两千万单元。最后,展示了采用极限规模的并行四维弹簧模型求解三维币形裂纹扩展的实际应用案例。

适用于非均质岩石破坏模拟的偏心四维弹簧模型

超大规模非均质模型的生成速度制约着离散数值方法在复杂工程实践中的应用,为了解决超大规模模型非均质岩石的快速建立问题,该文基于四维弹簧模型(four-dimensional lattice spring model,4D-LSM),提出了偏心四维弹簧模型(eccentric 4D-LSM, ECC4D),开展了Poisson比、弹性模量和法向变形量的参数分析研究。通过弹性参数和破坏参数的研究论证了模型的可行性。结果表明:采用质心随机偏移的方式生成了非规则偏心四维模型ECC4D,通过特定算法可以轻松实现大规模计算,既能在一定程度上表征岩石材料的非规则性,也能快速获取任意几何模型。该方法在本地工作站上已经成功实现了超过1亿颗粒的大坝模型计算。