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《中国石油大学(华东)》 2016年
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基于扩展有限元法的岩石裂纹扩展研究

王东雪  
【摘要】:作为一种新兴数值计算方法,扩展有限元法(XFEM)在模拟裂纹扩展时无需重新划分网格,因此在处理断裂力学问题时比传统有限元法具有明显优势。岩石裂纹扩展行为的研究在石油开采、地下建筑等领域具有重要理论和工程实际意义。本文基于XFEM,针对岩石裂纹扩展行为,开展了如下研究工作。介绍了扩展有限元法的基本概念及其发展历史,介绍了其与传统有限元法的关系及其在处理不连续问题方面的优势。基于等参单元和单位分解法,描述了平面二维裂纹,给出了四边形单元的附加特性函数。基于水平集法,定位和跟踪了裂纹及扩展路径,并给出了与裂纹相关不同单元类型的判别方法。建立了多种静载荷作用下含裂纹岩石的XFEM模型,对多种工况下的应力强度因子和常规裂纹的扩展行为进行了数值模拟计算,取得了理想计算结果。在此基础上对岩石水力压裂裂纹扩展行为进行了数值模拟计算,研究和分析了水平地应力和岩石材料参数等因素对水力压裂裂纹的扩展路径和扩展条件的影响。建立了疲劳载荷作用下含裂纹岩石的XFEM模型,对岩石疲劳裂纹的扩展行为进行了数值模拟计算,研究了载荷循环次数对裂纹扩展行为和含裂纹岩石应力场的影响,分析了裂纹尖端附近点在载荷循环次数增加过程中的应力变化规律。建立了动载荷作用下含裂纹岩石的XFEM模型,对动载荷下岩石裂纹扩展行为进行了数值模拟计算,研究和分析了动载荷与裂纹的相对位置对裂纹扩展路径和含裂纹岩石应力场的影响。
【学位授予单位】:中国石油大学(华东)
【学位级别】:硕士
【学位授予年份】:2016
【分类号】:O346.1

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