MatDEM-fast matrix computing of the discrete element method

Discrete element method can effectively simulate the discontinuity, inhomogeneity and large deformation and failure of rock and soil. Based on the innovative matrix computing of the discrete element method, the high-performance discrete element software MatDEM may handle millions of elements in one computer, and enables the discrete element simulation at the engineering scale. It supports heat calculation, multi-field and fluid-solid coupling numerical simulations. Furthermore, the software integrates pre-processing, solver, post-processing, and powerful secondary development, allowing recompiling new discrete element software. The basic principles of the DEM, the implement and development of the MatDEM software, and its applications are introduced in this paper. The software and sample source code are available online (http://matdem.com).     

加载速率对岩石单轴压缩试验影响的数值模拟研究

在单轴压缩数值模拟试验中,加载速率由每次边界条件变化幅度和边界条件变化后的平衡计算时间这两个因素共同控 制。同样的加载速率,两个因素的不同组合也会对加载效果有很大的影响。因此,探究以上两因素对岩石单轴压缩数值模拟 试验的影响机制,可对高效进行高精度的各加载速率下的数值模拟试验起到积极作用。本文使用MatDEM软件,基于软件自 动设定的加载区间以及标准平衡迭代,设置不同的应力施加步数Nd与平衡迭代比率Rb,进行不同加载速率下的数值模拟试 验。模拟结果表明：（1）单步加载后平衡迭代次数越多（Rb越大）,该步中应力波传播与动能衰减越充分。在最优阻尼条件下, 当单步加载后平衡迭代次数等于40次（Rb等于0.8）时,每步加载中动能充分平衡,可以最低计算量取得准静态模拟结果; （2）单步加载应力增量越小（Nd越大）,数值模拟试验精度越高;（3）当加载速率一定即计算量相同时,为保证更高的模拟试验 精度,应采用低单步应力增量与低单步加载后平衡迭代次数（Nd大、Rb小）的加载方案。本文为定量研究岩石加载速率问题和 相关数值模拟提供了参考。     

暴雨作用下排土场平台–边坡系统土壤侵蚀过程模拟研究

为了探究冻融循环作用对土体结构和力学性质的影响机理,以内蒙古元宝山露天煤矿内排土场典型黏土为研究对象,采用室内冻融循环试验和MatDEM数值模拟,进行土体内部温度场、水分场和应力场的模拟分析。结果表明：排土场土料经过冻融循环后发生冻缩现象;低围压时应力−应变曲线呈现应变软化型,发生剪切破坏,围压升高后向应变硬化型转变,发生剪胀破坏;抗剪强度的劣化受前3次冻融作用的影响最为显著,在第3次达到最低值;温度的传递过程可划分为温度快速下降、缓慢相变过程、继续降温、温度稳定4个阶段;水分运移主要在温度传递的前2个阶段发生,且第二阶段的水分运移量居多;颗粒受冻融作用后整体半径缩小、分散性增大;温度和水分运移引起的颗粒胀缩、冰−水相变、冷生结构的形成等,导致颗粒的大小、位置、连接状态和颗粒间的应力等反复变化,共同驱动土体产生不可逆的结构性损伤,进而造成强度劣化。水分运移不仅为冷生构造的生长提供水源条件,还产生溶蚀、冲刷破坏,与水的相变共同成为冻融循环作用导致土体发生结构调整和应力场变化的主要原因。通过离散元法模拟冻融循环,有助于了解土体内部的力学特征和强度劣化机理,为冻区露天煤矿内排土场边坡及其他工程建设的稳定性研究提供参考。

     

A Discrete Element Analysis of the Sliding Friction Heat in High-Speed and Long-Runout Landslides

Earthquake is one of the main causes of high-speed and long-runout landslides. Generally, the heat generated in the sliding zone is significant in such devastating landslides. In this study, we establish a two dimensional slope model which includes 0.2 million elements to simulate the development of high speed and long-runout landslides using the discrete element software MatDEM. The model not only suggests that heat is produced by friction and fracturing, but also simulates the process of tension generation in cracks and the generation of a high heat zone near the sliding region. Besides, the heat field graph indicates a banded high heat belt that is related to the location of the thickest sliding body. The logarithms of the total calorific value and the highest value in the heat zone during the sliding process are linearly related to the logarithm of the landslide height.     

川藏铁路线V形深切河谷地形地震放大效应数值模拟

V形河谷场地能产生地震动放大效应,并加剧地震的破坏作用和灾害效应。基于高性能离散元软件MatDEM,对规则V形河谷以及真实河谷地形下的放大效应进行数值模拟研究。结果表明,对于规则V形河谷,在地震波水平入射的情况下,背波坡面产生明显的地震动加速度放大效应,并在临近谷底处最为强烈;随着河谷坡角的增大,放大效应增大。数值模拟结果和解析解具有一致的趋势和规律,并符合现场观测现象。将模型进一步应用于川藏铁路线日扎深切河谷的分析,发现地形微小的转折将会影响到波的传播,临近谷底处的加速度放大效应与规则地形较为一致。离散元法能有效地模拟河谷中地震波的传播、反射、散射等现象,可用于川藏铁路沿线复杂条件下的动力作用灾害效应分析。     

基于离散元法的水力压裂数值模拟

不同条件下水压裂隙的发展特性对有效开采页岩气具有重要的指导作用。针对岩体在微观上为颗粒和孔隙的结构系统,提出离散元水力压裂数值模拟方法,离散元能量转化和能量守恒计算方法,建立了相应的三维离散元模型。采用自主研发的三维离散元模拟软件Mat DEM3D,通过控制模型的竖向应变与颗粒直径,来模拟地层中的应力与压裂速率的变化。模拟结果表明:(1)水力压裂产生裂隙的数量和方向受岩石的各向异性,压力状态和变化速率所影响。(2)裂隙在压缩波传播时发展,当水压力高速增加时,诱发的裂隙数量增多,并且有效能量(断裂热)百分比也随之增加,压裂作用也变得更明显。(3)当竖向应变为零时,50%的裂隙呈垂直状态,当竖向应变为-1×10-4时,裂隙趋于沿着最大压力方向发展,竖向裂隙的百分率增大。数值模拟和能量分析为定量地研究岩石水力压裂过程提供了一个新的方法。     

基于MatDEM的烟家沟滑坡演化过程数值模拟分析

在对陕西省山阳县烟家沟滑坡基本地质特征调查的基础上,利用无人机获取滑坡高程数据,基于高性能矩阵离散元软件MatDEM建立起烟家沟滑坡运动及堆积特征的三维离散元模型,还原了滑坡启动发生的全过程,最终得到了运动速度、滑移距离以及堆积体厚度3个方面特征,取得以下认识：烟家沟滑坡属于高速滑坡;滑坡运动堆积过程分为加速碰撞堆积阶段、整体滑动堆积阶段和减速堆积阶段;其堆积层厚度分布沿运动方向呈现出先增加后减小的总体变化趋势,且堆积厚度在堆积体后部达到最大;MatDEM矩阵离散元法用来模拟滑坡演化过程具有可行性.     

加载速率对岩石单轴压缩试验影响的数值模拟研究

在单轴压缩数值模拟试验中，加载速率由每次边界条件变化幅度和边界条件变化后的平衡计算时间这两个因素共同控 制。同样的加载速率，两个因素的不同组合也会对加载效果有很大的影响。因此，探究以上两因素对岩石单轴压缩数值模拟 试验的影响机制，可对高效进行高精度的各加载速率下的数值模拟试验起到积极作用。本文使用MatDEM软件，基于软件自 动设定的加载区间以及标准平衡迭代，设置不同的应力施加步数Nd与平衡迭代比率Rb，进行不同加载速率下的数值模拟试 验。模拟结果表明：（1）单步加载后平衡迭代次数越多（Rb越大），该步中应力波传播与动能衰减越充分。在最优阻尼条件下， 当单步加载后平衡迭代次数等于40次（Rb等于0.8）时，每步加载中动能充分平衡，可以最低计算量取得准静态模拟结果； （2）单步加载应力增量越小（Nd越大），数值模拟试验精度越高；（3）当加载速率一定即计算量相同时，为保证更高的模拟试验 精度，应采用低单步应力增量与低单步加载后平衡迭代次数（Nd大、Rb小）的加载方案。本文为定量研究岩石加载速率问题和 相关数值模拟提供了参考。     

岩土体大型三维离散元模拟系统的研发与应用

本文分析了当前岩土体离散元法存在的两个主要问题：（1）离散元颗粒与宏观模型间力学关系不明确; （2）离散元法计算量大,计算效率低。并针对这两个问题开展了理论研究和系统研发。在建立离散元颗粒接触关系基础上,提出了利用微宏观力学参数转换公式,构建具有特定力学性质的离散元模型; 提出了离散元颗粒系统的能量计算方法。在一系列理论研究的基础上,自主研发了岩土体大型三维离散元模拟系统MatDEM。其具有良好的前处理和后处理功能,能自动生成各种云图和模拟动画; 采用矩阵运算和GPU（图形处理器）高速计算,显著地提高了离散元计算的速度。在实例中,MatDEM被用于岩体孔隙的水力压裂模拟,在单台计算机上完成了一百万颗粒的动态模拟。结果表明,微裂隙趋于平行最大压应力方向和各向异性软弱方向形成; 能量转化曲线表明,弹性应变能和动能逐步转化为热量,但总能量始终恒定,离散元系统实现了能量守恒计算。