[发明专利]可避免畸形计算单元的岩石细观数值模型生成方法及系统

说明书

本发明提供可避免畸形计算单元的岩石细观数值模型生成方法及系统，方法包括：步骤1.通过数值图像处理得到岩石试样的显微图像特征，在空间域内进行基于点饱和理论的随机撒点，提取矿物颗粒空间位置，对颗粒集合体在岩石试样边界内进行基于Voronoi图的空间区域剖分，生成Voronoi多边形，模拟矿物颗粒不规则形状的细观几何结构；步骤2.根据多边形的几何信息计算其质心坐标，采用质心迭代法，重新进行空间剖分，直到满足设定的迭代停止标准；将矿物颗粒的所有短边替换为短边中点，并重新生成岩石矿物颗粒模型；步骤3.对模型进行有限元网格划分，并在颗粒边界和内部插入无厚度界面单元，生成能够模拟岩石开裂的有限元数值模型。

技术领域

本发明属于岩石力学研究领域，具体涉及可避免畸形计算单元的岩石细观数值模型生成方法及系统。

技术背景

岩石是自然界中经地质作用形成的具有一定结构构造的矿物集合体，由于受内部矿物晶粒、孔隙及胶结材料等细观结构的影响，岩石的力学特性及变形破坏规律呈现出其独特性和复杂性。大量试验和数值模拟表明，岩石的宏观力学特性与其微观结构密切相关，矿物颗粒的尺寸、形状、互锁程度和接触类型都能影响岩石的力学特性。从矿物晶粒大小看，在岩浆岩、变质岩和沉积岩中，等粒结构一般比非等粒结构强度高；在等粒结构中，细粒结构比粗粒结构强度高。在斑状结构中，细粒基质比玻璃基质强度高；粗粒具斑晶的酸性深成岩强度最低；细粒微晶而无玻璃质的基性喷出岩强度最高。从结构粘结上看，大部分岩浆岩、变质岩及沉积岩中的化学岩，晶粒之间结合紧密，强度较高，但在化学岩中，以可溶性结晶连结的，强度较高，但抗水性差。固结粘土岩有一部分是再结晶连结，其强度比其它坚硬岩石差得多。通过高倍显微镜观察岩石切片，发现通常岩石材料组成颗粒的形状接近于不规则多边形，其中细粒砂岩和花岗岩的组成颗粒排列紧凑，胶结面薄，其切片微观形状接近一种较为密实和各向同性结构的多边形网格拓扑结构。

国内外的很多学者依次对岩石细观模型的生成开展了大量的研究。现有的岩石细观数值研究，或通过数字图像处理技术重构数值岩石试验，或采用细观数值模型随机生成算法。这两类生成岩石细观数值模型的方法，会产生大量的畸形单元体，影响了有限元等数值模拟方法的收敛性。2014年，Ghazvinian等人提出了一种三维随机Voronoi晶粒模型用于模拟脆性岩石的裂纹扩展，通过Voronoi镶嵌获得晶体模型，并用晶体边界模拟晶粒间的裂纹。2016年，Gui等人提出了一种二维Voronoi晶粒模型模拟了Gosford砂岩的微观开裂模型，并通过正则化迭代改善了晶体颗粒结构。2016年，Cantor等人借助Neper软件，提出一种可用于模拟颗粒材料开裂的三维中心Voronoi镶嵌颗粒模型生成方式。2017年，Li等人提出一种考虑颗粒大小分布和孔隙的二维随机Voronoi晶粒模型，模拟了Cottaer砂岩的微观开裂模型。2019年，专利CN110069844A公开了一种考虑岩石结构特征和矿物组成的三维Voronoi晶粒模型，采用粒径膨胀法能更真实的反映岩石试样的结构特性。

但是，上述岩石细观模型生成方法，矿物颗粒数量一般需控制在200～2000之间，导致计算精度受限；且畸形的矿物颗粒较多，在网格划分过程易产生畸形单元和过密网格，进而导致计算效率和计算精度下降，甚至出现仿真模拟不收敛无法继续的现象。另一方面，上述大多方法仅考虑岩石颗粒晶体间开裂的情况，没有考虑岩石矿物晶粒穿晶开裂现象，因此需要建立一种避免畸形矿物颗粒，计算效率和计算精度较高，能够考虑岩石细观结构下真实破碎情况的细观数值模型。

发明内容

本发明是为了解决上述问题而进行的，目的在于提供一种可避免畸形计算单元的岩石细观数值模型生成方法及系统。

本发明为了实现上述目的，采用了以下方案：

方法

本发明提供一种可避免畸形计算单元的岩石细观数值模型生成方法，其特征在于，包括：

步骤1.岩石细观特征提取和量化