基于真实细观结构的FFT数值方法对岩石材料非线性力学行为的研究

作者

李明耀彭磊左建平王智敏李绍金薛喜仁
单位

中国矿业大学（北京）力学与建筑工程学院
摘要

岩石的非均质性（矿物夹杂、微裂隙、微孔洞等细观结构）对其非线性力学行为和破坏过程有着显著影响。本文采用无需对复杂细观结构划分网格的快速傅立叶变换（FFT）数值方法，直接获取图像中的像素点作为材料点，准确得到非均质材料的细观结构特征和力学性质的特点，与数字图像处理（DIP）技术有机结合，建立了基于真实细观结构的FFT数值计算方法，模拟了非均质岩石在外荷载作用下的弹塑性变形过程，探究了岩石内部细观结构对非线性力学行为的影响规律与宏观力学性质的内在联系。研究结果表明：基于真实细观结构的FFT模型，能很好地预测不同埋深和不同围压条件下黏土岩的峰前非线性行为和峰值强度，细观结构的形状、大小和分布直接决定了黏土岩内部应力场的分布。研究结论为研究岩石细观结构特征及其非线性力学行为提供了一个重要手段。
关键词

快速傅里叶变换法图像处理岩石材料细观力学非均质性
基金项目(Foundation)

国家自然科学基金（11802332）；煤炭资源与安全开采国家重点实验室-北京高等学校卓越青年科学家计划项目联合基金（BJJWZYJH01201911413037,SKLCRSM21LH02）；中国矿业大学(北京)越崎杰出者奖励计划；中央高校基本科研业务费专项资金（2020YQLJ08）；
文章目录

1 岩石细观结构的数字图像表征
1.1 岩样的矿物成分与分布
1.2 岩石细观结构的数字图像表征过程
1.2.1 方解石矿物区域的表征
1.2.2 石英矿物区域的表征
1.2.3 黏土矿物区域的表征
2 数值方法
2.1 基于快速傅里叶变换的数值方法
2.2 基于真实细观结构的FFT数值方法的建立
2.3 细观本构模型
3 数值验证与分析
3.1 参数标定与宏观力学行为的预测
3.2 细观结构特征与局部应力分布
3.3 细观结构与宏观力学行为的关系
4 结论
引用格式

李明耀,彭磊,左建平,王智敏,李绍金,薛喜仁.基于真实细观结构的FFT数值方法对岩石材料非线性力学行为的研究[J].矿业科学学报,2022,7(04):456-466.DOI:10.19606/j.cnki.jmst.2022.04.007.