A coupled discrete element‐finite difference approach for modeling mechanical response of fluid‐saturated porous materials

Abstract

Summary A model of fluid‐saturated poroelastic medium was developed based on a combination of the discrete element method and grid method. The developed model adequately accounts for the deformation, fracture, and multiscale internal structure of a porous solid skeleton. The multiscale porous structure is taken into account implicitly by assigning the porosity and permeability values for the enclosing skeleton, which determine the rate of filtration of a fluid. Macroscopic pores and voids are taken into account explicitly by specifying the computational domain geometry. The relationship between the stress–strain state of the solid skeleton and pore fluid pressure is described in the approximations of simply deformable discrete element and Biot's model of poroelasticity. The developed model was applied to study the mechanical response of fluid‐saturated samples of brittle material. Based on simulation results, we constructed a generalized logistic dependence of uniaxial compressive strength on loading rate, mechanical properties of fluid and enclosing skeleton, and on sample dimensions. The logistic form of the generalized dependence of strength of fluid‐saturated elastic–brittle porous materials is due to the competition of two interrelated processes, such as pore fluid pressure increase under solid skeleton compression and fluid outflow from the enclosing skeleton to the environment. Copyright © 2015 John Wiley & Sons, Ltd.

Simulation of Fracture Using a Mesh-Dependent Fracture Criterion in the Discrete Element Method

“…The materials of the punch and the half-space are considered linearly elastic. We used the Movable Cellular Automaton method (MCA) [19][20][21] which is a DEM family representative with multi-particle distinct element formulation of the equations of elasticity and motion. The elastic modulus of the half-space was E half-space = 200 GPa, the elastic modulus of the punch E punch was varied in a certain range in order to perform a parametric study of the problem.…”

The Influence of Fluid Filtration on the Strength of Porous Fluid-Saturated Brittle Materials

“…Окружающее твердое тело пространство (а также внутрен-ние «макроскопические» несплошности, размеры которых превышают размер дискретного элемента) моделируется мелкой сеткой, «вмороженной» в лабораторную систему коорди-нат. Эта сетка используется для расчета пространственного распределения флюида в окру-жающем тело пространстве (и во внутренних «макроскопических» несплошностях), а так-же для вычисления объемов этих «макроскопических» областей [42,43].…”

“…В методе ГКА решение связанной задачи деформирования твердофазного каркаса, моделируемого дискретными элементами, и фильтрации флюида через внутриэлементное трещинно-поровое пространство осуществляется посредством численного интегрирова-ния системы уравнений движения Ньютона-Эйлера и переноса плотности жидкости на ансамбле автоматов [43]:…”

“…генциальная силы взаимодействия рассматриваемого автомата с соседним;  M -момент сил взаимодействия; N nb -число взаимодействующих соседей автомата;  и k -текущие значения пористости (определяемой через отношение текущего фильтрационного объема в автомате к текущему значению объема автомата [43]) и проницаемости материала под-вижного клеточного автомата; ,  и K fl -текущие значения плотности жидкости, ее вяз-кости и модуля всестороннего сжатия.…”

“…демонстрируют упругий от-клик вплоть до разрушения. В таких условиях изменение порового давления связано только с упругим изменением объема порового пространства и возможностью перерас-пределения флюида [42,43]. В частности, в условиях одноосного сжатия флюидонасы-щенного образца хрупкого пористого материала средние напряжения в образце являются отрицательными и возрастают по модулю в процессе деформирования.…”