基于ABAQUS二次開發(fā)的巖石力學試驗數(shù)值仿真系統(tǒng)

趙文娟

摘要：巖石力學試驗是研究巖石力學特性，獲取力學參數(shù)的重要途徑。為研究不同荷載作用下不同尺寸試塊的破壞過程，利用Python語言對ABAQUS軟件進行二次開發(fā)，建立巖石力學試驗過程的參數(shù)化數(shù)值模擬仿真系統(tǒng)。將考慮剪切效應(yīng)的Drucker-Prager破壞準則編入vusdfld子程序中，引入失效單元刪除算法研究荷載作用下巖石試塊變形破壞過程，實現(xiàn)了巖石力學試驗過程的數(shù)值仿真。以花崗巖試塊三軸壓縮試驗為例，驗證了仿真系統(tǒng)的有效性。該系統(tǒng)可根據(jù)用戶需要與實驗室加載平臺進行數(shù)據(jù)匹配，極大提高了建模和分析效率，同時豐富了力學試驗內(nèi)容。

關(guān)鍵詞：巖石試樣;二次開發(fā);數(shù)值仿真;力學試驗

中圖分類號：G642423;TU455 ? 文獻標志碼：A ? 文章編號：1005-2909（2019）05-0160-06

巖石力學試驗是研究巖石力學特性，獲取力學參數(shù)的重要途徑，其應(yīng)用涉及土木建筑、采礦、水利水電、地下工程等眾多工程領(lǐng)域。同時，隨著現(xiàn)代力學、數(shù)學、計算機技術(shù)的不斷發(fā)展，數(shù)值仿真以其模擬分析的有效性、計算結(jié)果的三維可視化等優(yōu)點，為工程問題研究提供了有效手段[1-2]。

近年來，關(guān)于巖石力學試驗的數(shù)值模擬已成為巖石力學特性分析領(lǐng)域的研究熱點。賈善坡等[3]利用數(shù)值模擬方法建立泥巖試樣二維簡化模型，并根據(jù)非排水條件下泥巖室內(nèi)三軸試驗結(jié)果，反演研究巖石本構(gòu)模型參數(shù)。田洪銘等[4]結(jié)合泥質(zhì)紅砂巖的三軸蠕變試驗結(jié)果，建立非線性蠕變損傷模型，并利用有限元軟件建立與室內(nèi)試驗標準巖樣尺寸一致的模型，對試驗過程進行模擬。王杰等[5]通過單軸壓縮試驗， 對巖石的破壞過程進行分析， 并通過數(shù)值模擬獲得了裂紋萌生、擴展、貫通直至形成宏觀裂縫的過程。王青元等[6]采用所提出的模型對7個不同尺寸的綠砂巖巖樣進行了單軸壓縮蠕變數(shù)值模擬，并對巖石長期強度尺寸效應(yīng)進行了分析。趙志濤等[7]建立了砂卵石-砂土復(fù)合試樣有限元數(shù)值模型，通過不同圍壓、不同砂層厚度的復(fù)合試樣數(shù)值試驗，探究砂層對復(fù)合試樣強度和破壞規(guī)律的影響。劉洪磊等[8]模擬了花崗巖單軸壓縮試驗過程，對其破裂機理進行研究。

通過以上文獻可知，目前針對巖石力學試驗的模擬主要側(cè)重于巖石材料本構(gòu)模型的二次開發(fā)或針對特定尺寸、特定加載方式模型的分析，而針對試驗過程尤其是模擬分析的前處理過程（模型尺寸、加載參數(shù)的確定等）和后處理過程（模擬結(jié)果的輸出、數(shù)據(jù)的采集）等方面的研究成果較少。文章利用Python語言對ABAQUS軟件進行二次開發(fā)，建立巖石力學試驗過程的參數(shù)化數(shù)值模擬仿真系統(tǒng)，將考慮剪切效應(yīng)的Drucker-Prager破壞準則編入vusdfld子程序中，引入單元生死算法研究荷載作用下巖石試塊變形破壞過程，實現(xiàn)了巖石力學試驗過程的數(shù)值仿真，最后，以花崗巖試塊三軸壓縮試驗為例，驗證了仿真系統(tǒng)的有效性。

一、巖石力學試驗數(shù)值仿真系統(tǒng)的開發(fā)

（一） 基于Python語言的ABAQUS二次開發(fā)流程

ABAQUS大型有限元軟件具有強大的工程問題分析能力，擁有豐富的模型材料庫和單元庫，能模擬復(fù)雜的非線性問題。同時，ABAQUS軟件具備很強的通用性和擴展性，允許用戶通過自行編程實現(xiàn)對軟件前、后處理的二次開發(fā)。Python語言作為ABAQUS軟件的標準設(shè)計語言，為用戶自行編程，實現(xiàn)對ABAQUS的操控。

通過基于Python語言的ABAQUS腳本接口，可以直接調(diào)用軟件豐富的庫函數(shù)，并繞過用戶界面直接操縱內(nèi)核，實現(xiàn)工程建模、材料屬性定義、模型網(wǎng)格劃分、邊界條件設(shè)置、結(jié)果數(shù)據(jù)查看和分析等功能，還可對用戶界面進行修改和二次開發(fā)[9]。

利用Python語言編程對ABAQUS進行前后處理的二次開發(fā)，實現(xiàn)如下功能：

（1）前處理。通過編程實現(xiàn)用戶自定義交互式模型尺寸、材料屬性、邊界條件等參數(shù)的輸入，并通過有限元計算，輸出不同參數(shù)下的計算結(jié)果文件。

（2）后處理。通過編程實現(xiàn)對計算結(jié)果文件的讀取、數(shù)據(jù)分析和用戶指定結(jié)果的顯示。

具體流程見圖1。

（二） 系統(tǒng)開發(fā)

適用于模擬不同模型尺寸、材料屬性、邊界條件的巖石試件試驗破壞及過程分析數(shù)值仿真系統(tǒng)，實現(xiàn)了不重復(fù)有限元分析時繁瑣的前后處理操作，僅通過程序調(diào)用，在交互窗口中輸入不同計算參數(shù)就可以自動進行建模、計算，并形成相對應(yīng)的計算結(jié)果文件。巖石試件有限元模型如圖2所示。

巖石力學試驗過程中，通常將試塊設(shè)計為圓柱形，然后將其放置在加載系統(tǒng)上，通過電腦操作對試塊進行加載，研究其力學特性。通常，試驗參數(shù)主要包括試樣幾何參數(shù)（試樣的尺寸）和加載參數(shù)（圍壓、軸壓的量值）。為與實驗室試驗過程一致，巖石力學試驗數(shù)值仿真系統(tǒng)開發(fā)的具體實施步驟包括：

（1）將圖2中加載參數(shù)（軸壓P1、圍壓P2）、試樣幾何參數(shù)（高H、直徑D）以及試塊力學參數(shù)（密度、彈性模量、泊松比、粘聚力、摩擦角）設(shè)定為可變化的參數(shù)，利用Python語言編程進行參數(shù)化建模[10]。

（2）在參數(shù)化建模程序中加上如圖3所示的交互式模塊程序代碼，使程序代碼中的參數(shù)與試驗參數(shù)相匹配，當程序調(diào)用后首先進入用戶自定義交互式窗口，即可對數(shù)值模擬試驗參數(shù)進行修改，如圖4所示。

（3）對不同試驗參數(shù)下的模型進行有限元計算。

####Enter the parameter of pressure#####

fields = （（'Axial pressure P1：′，′5000′）， （′Confining pressure P2：′，′2000′））

iP1 = None

while iP1 == None：

[6]王青元，朱萬成，劉洪磊，等. 單軸壓縮下綠砂巖長期強度的尺寸效應(yīng)研究[J]. 巖土力學，2016，37（4）：981-990.

[7]趙志濤，張子新，朱葉艇. 砂卵石-砂土復(fù)合試樣大三軸數(shù)值試驗及驗證[J]. 地下空間與工程學報，2014，10（6）：1300-1306.

[8]劉洪磊，王培濤，楊天鴻，等. 基于離散元方法的花崗巖單軸壓縮破裂過程的聲發(fā)射特性[J]. 煤炭學報，2015，40（8）：1790-1795.

[9]岳永保，楊合，詹梅，等. 基于Python的ABAQUS數(shù)控彎管數(shù)值模擬后處理[J]. 塑性工程學報，2009，16（3）：48-54.

[10]王輝，陳衛(wèi)忠，李廷春，等. 地下工程智能連續(xù)優(yōu)化方法的實現(xiàn)Ⅰ：參數(shù)化設(shè)計及優(yōu)化方法[J]. 水利學報，2014，45（1）：42-49.

[11]杜明瑞， 靖洪文， 蘇海健，等. 孔洞形狀對砂巖強度及破壞特征的影響[J]. 工程力學， 2016，33（7）：190-196.

[12]孫華飛，楊永明，鞠楊，等. 開挖卸荷條件下煤巖變形破壞與能量釋放的數(shù)值分析[J]. 煤炭學報，2014，39（2）：258-272.

Abstract： Rock mechanics test is an important way to study rock mechanics properties and obtain mechanical parameters. In order to research the damage process of rock specimens with various sizes under different load levels， the Python language is used to make secondary development for ABAQUS and the parameterized numerical simulation system for rock mechanics test is established. The Drucker-Prager failure criterion considering shear effect is programmed into VUSDFLD subroutine and the failure element deletion algorithm is introduced to study the deformation and damage process of rock specimens. Then the triaxial compression test of granite block is taken as an example to verify the validity of the simulation system. The system can match with the laboratory loading platform according to the users need， improve the efficiency of modeling and analysis， and enrich the content of mechanics test.

Key words： rock specimens; secondary development; numerical simulation; mechanics experiment

（責任編輯 周 沫）