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논문

유한차분법과 개별요소법을 활용한 취성파괴 특성 평가

Evaluation of Brittle Failure Characteristics using the Finite Method and Discrete Element Method

천대성|이장백|전석원
한국자원공학회 (The Korean Society of Mineral and Energy Resources Engineers)|2019.12|한국자원공학회지 (Journal of the Korean Society of Mineral and Energy Resources Engineers)|제56권 제6호|pp. 582-595

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FDMDEM유한차분법개별요소법취성파괴brittle failureCWFS 모델CWFS model
주제분류자원공학

초록

높은 현지응력이 작용할 때 발생 가능한 취성파괴에 대하여 유한차분법과 개별요소법을 이용하여 재하된응력사이와의 관계를 평가하였다. 취성파괴는 파괴개시시점, 파괴범위와 파괴심도 등으로 구분하였다. 유한차분법으로 FLAC3D, 개별요소법으로 PFC3D를 사용하였다. 삼축응력조건에서 취성파괴 수치실험을 수행하여 기존 모형실험결과와 비교하였다. 유한차분법에서 사용된 CWFS 모델이 v-형태의 취성파괴를 잘 모사할 수 있음을 알 수 있었다. 공동 축에 수직한 축차응력의 크기와 파괴범위/파괴심도가 선형 비례함을 보였다. 개별요소법의 경우 스폴링를 입자탈락으로 모사할 수 있었으며, 수치실험의 균열개시응력이 모형실험이나 현장관찰의 파괴개시시점에 대한 좋은 지시자가 될 수 있음을 확인하였다. PFC3D는 FLAC3D와 달리 3차원 응력조건의 영향을 반영할 수 있으나, 취성파괴의정도를 표현하는 파괴심도와 파괴범위를 구별하는 데 어려움이 존재하였다. 따라서 취성파괴를 예측 또는 평가하는데 있어 해석목적에 맞는 수치해석방법의 선택이 필요한 것으로 나타났다.

Abstract

The relationship between brittle failure and applied stress conditions using finite difference method and discrete element method was evaluated. The characteristics of brittle failure were classified into the initiation stress, extent and depth. FLAC3D and PFC3D were adopted as FDM and DEM, respectively. Numerical experiments were performed under triaxial stress conditions and compared with the previous experiments. The CWFS model in FDM could simulate the V-shaped failure well. The magnitude of the differential stress perpendicular to the opening axis and the extent/depth of failure were linearly proportional. Spalling could be simulated as particle separating in DEM. The crack initiation stress in DEM can be a good indicator of when failure starts in the experiment or field. PFC3D can reflect the effects of 3D stress conditions, but there were difficulties in distinguishing the depth and extent of failure. Therefore, it is necessary to select appropriate numerical methods in assessing brittle failure.

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