基于Voronoi图的精细化PFC数值计算方法与应用

由于岩石细观结构决定宏观力学行为,离散元计算结果的准确性取决于数值模型对岩石复杂细观结构的表征程度。为提高离散元数值计算在采矿工程中的适用性,基于Voronoi图提出一种精细化PFC数值计算方法。Voronoi图剖分空间形成的凸多面体具有随机性和多样性,与岩石细观结构具有自相似性;将Voronoi图中点、线、面、体的编号与坐标数据导入PFC,借助PFC内嵌Fish语言将其转化为PFC可识别几何体,基于Voronoi单元提出2种不规则颗粒模型构建方法(VCPM和VBPM),分别模拟完整岩石和破碎岩石;采用Monte-Carlo方法生成服从Weibull分布的伪随机数,表征岩石细观力学参数,实现岩石非均质性模拟,将不规则颗粒周围接触数目定义为Coordination Number(CN),颗粒体积和颗粒CN分别服从Weibull分布和正态分布,实现岩石细观结构复杂性模拟;VCPM模型可准确模拟完整岩石在单轴和三轴抗压条件下的强度特征及峰前硬化、峰后软化、体积剪胀等行为,模拟所得岩石单轴抗压强度221 MPa,弹性模量64 GPa,内聚力和内摩擦角分别为34 MPa和55°,与实验数据具有较高的一致性;高内摩擦角表明VCPM模型内不规则颗粒间的剪切闭锁效应增强,且模拟结果可反映岩石破坏模式随围压增大由劈裂向剪切甚至塑性流动转变的现象;VBPM模型可准确模拟破碎岩石在侧限压缩实验中的压实和承载特征,初始加载阶段,破碎岩石中含大量孔隙,变形曲线斜率小,轴向载荷增加导致孔隙逐渐压实,变形曲线斜率快速升高,应力应变曲线模拟结果与实验结果吻合,由于VBPM模型不规则颗粒间的自由度差异明显,压缩过程中颗粒间的接触力呈现非均匀分布特征。