岩石动力学及分析方法之报告——基于率型本构模型的动力连续-非连续方法研究及应用
基于率型本构模型的动力连续-非连续方法研究及应用
王学滨
（辽宁工程技术大学计算力学研究所）
王学滨，辽宁工程技术大学教授、博士生导师，辽宁工程技术大学计算力学研究所所长。秉承力学加计算机是21世纪工程设计主要手段的先进理念，主要从事计算力学研究。九三学社阜新市第九届委员会文化体育委员会副主任，深部岩土力学与地下工程国家重点实验室特聘兼职教授，东北大学兼职教授，山东科技大学兼职博导、硕导，中国数字仿真联盟专家委员会委员，中国岩石力学与工程学会理事、兼职副秘书长，岩体物理数学模拟专业委员会委员，中国煤炭学会科学传播专家，中国CAE工程技术分析年会分论坛“地质体材料破坏和稳定性仿真分析”主席，《防灾减灾工程学报》等期刊编委，主持国家自然科学基金、国家重点实验室等项目20余项，发表第1、2作者论文280余篇，其中，SCI 论文40余篇、EI论文 140余篇，在科学出版社出版第1著者专著《岩石局部化破坏及结构稳定性理论研究》《实验室尺度典型断层系统力学行为数值模拟》《拉格朗日元与离散元耦合连续-非连续方法研究》3部，博士论文被评为省优秀博士论文、全国百篇优秀博士论文提名论文，获得了数字仿真科技奖（杰出贡献奖）、省五一劳动奖章、中国岩石力学与工程学会青年科技奖银奖、中国力学学会全国徐芝纶优秀教师奖、省学风建设典型等奖励和荣誉，入选省新世纪百千万人才工程（百人层次）、省高校优秀人才支持计划（第一层次），阜新市玛瑙协会理事，出版了诗集《导师不易》1本，创办了有益科学传播、令人轻松愉悦的“诗话计算力学和玛瑙”公众号，自主开发了富有特色的拉格朗日元与离散元耦合连续-非连续方法，并形成了岩层运动GPU并行计算系统。
研究背景：
动载作用下岩石的破坏规律研究对于众多地质灾害的机理分析和预防具有重要的理论及实际意义。动载作用下岩石的力学特性与静载作用下的有很大差别。例如，岩石的强度参数会随着应变率或加载速度的变化而变化，而且，在动载作用下岩石的破裂过程也比在静载作用下的更加复杂。因此，动载作用下岩石的破裂规律十分值得研究。
研究进展：
和物理实验研究相比，数值模拟研究具有众多优势，例如，载荷及约束施加方便、灵活，不受环境限制，价格低廉等。黄理兴指出，应大力发展岩石动力断裂过程的数值模拟与虚拟仿真技术，并求得岩石动力学问题的精确解。
尽管岩石动力学相关的数值模拟研究成果众多，但经常采用静力本构模型，这尚与实际情况有一定的差距。基于动力本构模型的结果更符合实际，应积极倡导。目前，人们已经意识到用一种本构模型描述岩石的共性是不现实的。不同本构模型的理论基础、观点和方法各异，表达形式和繁简程度相差很大，计算结果和适用范围各有区别。其中，朱-王-唐本构模型能够较好地描述介质从准静态到爆炸冲击载荷下（应变率为10-4—103s-1）的力学响应。
现有的数值模拟方法可被划分为如下3类：连续方法（有限元方法和有限差分方法等）、非连续方法（离散元方法和不连续变形分析方法等）和连续-非连续方法（耦合方法）。连续方法具有模拟精度高的特点，但适用性受限。非连续方法具有适用性广的特点，但由于在弹性阶段通常需要引入刚度系数，精度一般不高。为此，连续-非连续方法应运而生，正在不断快速发展。其中，有限元方法与离散元耦合方法最为常见。利用10年时间笔者团队自主开发了一种连续-非连续方法，即拉格朗日元与离散元耦合连续-非连续方法。在此基础上，采用朱-王-唐本构模型（动力本构模型）取代了广义胡克定律（静力本构模型），并考虑了应变率对莫尔-库仑准则中黏聚力的影响，发展了动力连续-非连续方法。
报告内容：
报告分4方面，内容较为丰富。
第1部分为报告人简介。介绍了报告人在科学研究之外利用业余时间从事的诸多和科学研究相关的有益工作。例如，通过绘制科学家画像，传播科学家精神；通过撰写科普，进行科学传播；以诗的形式，表达情感和记录历史。另外，还将诗和玛瑙相结合，以起到育人的作用。
第2部分介绍了报告人团队历时10余年自主开发的富有特色的拉格朗日元与离散元耦合连续-非连续方法和岩层运动GPU并行计算系统，适于模拟连续介质向非连续介质转化和非连续介质进一步演化，例如，采动条件下包含或不包含断层采场模型的岩层运动（岩层的变形、开裂、离层、破断和冒落等）和多种载荷条件下（应力加载、位移控制加载和冲击波等）支护（锚杆、液压支架）的洞室（或巷道，下同）围岩模型的破坏（围岩开裂、坍塌和岩块弹射等）。该方法和系统的应用领域十分广泛，所需参数少且它们容易获取，其部分特色在于：引入了朱-王-唐本构模型，以模拟岩石的冲击动力学过程；引入了状态-速率依赖摩擦定律模拟断层黏滑过程，避免了库仑摩擦定律的局限性。
第3部分为洞室围岩破裂过程模拟。例如，静水压力条件下洞室围岩滑移线或蝶形图案发展过程模拟、位移控制加载条件下洞室围岩片帮过程模拟、周期冲击条件下洞室顶板拉裂和两帮岩块弹射过程模拟、基于动力本构模型的位移控制加载条件下洞室围岩破裂过程模拟、锚固条件下洞室围岩破裂过程模拟、液压支架支护和冲击条件下洞室围岩破裂过程模拟。
第4部分为其他方面的模拟。例如，巴西圆盘劈裂过程模拟、单轴压缩岩样破裂过程模拟、导弹侵彻洞室围岩过程模拟、采动诱发岩层运动过程模拟（121工法、110工法）。
报告以一首仿岳飞《满江红·怒发冲冠》结束，表达了报告人面对国外软件功能有限，国内诸多行业数值模拟极大依赖国外的现状，10余年来甘坐冷板凳、淡泊名利，从事原创的计算力学方法研究的切身体会、真挚情感和不懈求索。
整个报告设计精美，赏心悦目，科学性和艺术性交融，期待能给人留下深刻的印象。
