[发明专利]一种三维渗流应力耦合内聚力单元的快速生成方法

说明书

本发明公开了一种三维渗流应力耦合内聚力单元的快速生成方法，属于岩石水力压裂领域，本发明克服现有内聚力单元生成的不足，通过网格单元拆分、内聚力单元生成判断、渗流应力耦合内聚力单元生成实现了无厚度内聚力单元的生成，与现有的一些技术相比，改方法可以适用于不同类型的渗流应力耦合内聚力单元生成，便于并行实现，可以显著提高生成效率90％左右。

技术领域

本发明属于岩石水力压裂领域，具体涉及一种三维渗流应力耦合内聚力单元的快速生成方法。

背景技术

内聚力单元(cohesive element)是一种近年来兴起的基于有限元的不连续模拟技术。内聚力单元可以在裂纹扩展过程中形成新的裂纹表面，在新裂纹面不连续的情况下在数学模型上保持连续性条件，从而对裂纹的萌生、扩展建立统一的计算模型来描述。

内聚力单元用以模拟两个部分之间的粘性连接，通常粘结材料尺寸和强度都小于粘结部分，以节理岩体为例，强度形态主要受节理控制，因此可以利用内聚力单元结合相关本构模型模拟裂隙岩体的断裂与破坏。

内聚力单元能够承受拉伸和剪切的应变，但并不能产生任何应力，结合能支持垂直于上下表面的牵引-分离破坏准则可以较好地模拟材料的断裂与破坏。与常规有限元方法模拟裂缝相比，是一种无需细化网格的解决方案，可以有效的降低网格数量，提高运算效率。与扩展有限元方法相比，在已知裂纹潜在路径的情况下，内聚力单元可以模拟多组裂纹的交叉等复杂状况，具有更好的计算稳定性。当前内聚力单元的建模主要通过商业程序自带的图形界面来操作，该方法仅适用于二维情况和结构较为简单的三维情况。对于复杂结构的内聚力单元生成尚未有较好的办法。

发明内容

发明目的：本发明的目的在于提供一种三维渗流应力耦合内聚力单元的快速生成方法是一种无厚度内聚力单元的生成方法，克服现有内聚力单元生成的不足。技术方案：为实现上述目的，本发明提供如下技术方案：

一种三维渗流应力耦合内聚力单元的快速生成方法，包括如下步骤：

(1)渗流应力耦合内聚力单元的结构；

(2)网格单元拆分；

(3)内聚力单元生成判断；

(4)内聚力单元生成；

(5)渗流应力耦合模型生成与计算。

进一步地，步骤(1)中，所述的渗流应力耦合内聚力单元的结构包括：

1.1)渗流应力耦合内聚力单元的拓扑结构，在生成时为0厚度，实际有三层12个节点组成，其中9、10、11、12节点用来描述裂隙的渗流特性；

1.2)在渗流应力耦合内聚力单元内部考虑立方定律建立平衡方程如公式(I)所示，其他力学计算部分与传统的内聚力单元一致；

其中w为裂隙宽度，μ_w为流体粘滞系数，c_t，c_b为裂隙上下面的滤失系数，p_f为裂隙内部孔压p_t，p_b为裂隙上下面相邻固体区域的孔压，Q(t)为源项，δ(x，y)为狄拉克δ函数；裂隙的宽度通过下表面1、2、3、4和上表面5、6、7、8节点位移的差值得到：

ω＝X⁺-X^- (II)。

进一步地，步骤(2)中，所述的网格单元拆分包括：