离散元-边界元动力耦合模型在地下结构动力分析中的应用

利用离散元 边界元耦合模型对溪洛渡工程地下厂房洞室群静、动力响应进行了分析，对离散元模拟地下结构的一些问题进行了探讨，得到了一些结论：离散元模型能够很好地模拟地下洞室群的变形，通过与边界元的耦合，可以模拟辐射阻尼的影响，由于辐射阻尼的影响，地下洞室群的地震响应比地面结构小很多。     

离散元—边界元动力耦合模型在地下结构动力分析中的应用

利用离散元－边界元耦合模型对溪洛渡工程地下厂洞室群静，动力响应进行了分析，对离散元模拟地下结构的一些问题进行了探讨，得到了一些结论：离散元模型能够很模拟地下洞室群的变形，通过与边界的耦合，可以模拟辐射阻尼的影响，由于辐射阻尼的影响，地下洞室群的地震响应比地面结构小很多。     

基于离散元方法与水动力学耦合的河冰动力学模型

流凌和冰坝是我国北方冬季比较常见的河冰现象,尤其冰坝,可导致严重的凌洪灾害,是河冰研究中的重要部分。本文将离散单元方法与二维水动力学相耦合,建立河冰的动力学数值模型,以模拟河冰输移、聚集、堆积,以及冰坝形成的动力过程。针对河道中大量密集且几何形状随机的流冰现象,采用扩展多面体单元对冰块进行构造,并通过离散元接触模型表征河冰输移和冰坝形成过程中冰块间的相互作用。河流水动力部分则采用考虑河冰影响的二维非定常浅水方程进行描述,并采用有限元方法进行数值计算。冰水耦合中的计算参数由河冰离散单元与其所在水动力学有限元网格节点的位置插值计算得到。通过对冰盖封河造成水位抬高过程的数值模拟,并将计算结果与理论分析结果以及DynaRICE河冰模型的模拟结果进行对比,以验证模型的有效性。在此基础上,对规则河道中河冰输移、堆积和形成冰坝的过程进行数值模拟和结果分析。通过以上河冰离散元与水动力学的耦合方法及其对河冰动力过程的数值模拟,对河冰动力过程从细观角度进行新的认识并为河冰动力过程研究提供一种有效的数值方法。     

颗粒离散元模拟边坡动力响应的研究进展

颗粒流（ＰＦＣ）离散元方法是当前模拟边坡变形破坏的热点方法,在边坡动力分析领域有良好的应用前景。以阻尼参数标定、动荷载输入及动力分析方式为切入点,对颗粒离散元模拟边坡动力响应的研究现状进行了总结和分析。在此基础上,对颗粒离散元在边坡动力分析领域的进一步应用需注意的问题及发展趋势进行了探讨。     

非饱和重塑黄土的一种简化离散元模型

黄土是一种水敏性颗粒材料,其强度受含水率影响十分明显。基于非饱和土力学的基本理论,利用颗粒离散元方法,建立了一种非饱和黄土的简化离散元模型。在对非饱和黄土的力学特性进行离散元模拟分析后,与室内三轴试验进行了对比验证。对比模型和试验结果发现：不同含水率试样的应力应变关系受土体颗粒间摩擦系数直接影响,表现为试样含水率越高,摩擦系数越小,说明该离散元模型在一定范围内能够反映重塑黄土的土力学特性。     

用映射无限元模拟直立式沉箱基础

提出四节点映射无有限元，用此类单元与有限元及双向映射无限元耦合模拟直立式沉箱地基基础。数值计算表明这一耦合系统与有限元地基模型相比较，提出了位移，应力计算精度，结果还表明地基与沉箱箱体的相互作用对箱踵，箱趾应力影响较大。     

破冰船引航下极地船舶结构冰荷载的离散元分析

采用破冰船引航的方式可有效保障商船在极地冰区的航行安全。通过基于闵可夫斯基和原理的扩展多面体构造任意形态的海冰单元，同时发展基于扩展多面体单元的粘结失效模型模拟海冰的破碎过程，从而建立基于扩展多面体的离散元方法。采用扩展多面体离散元方法模拟船舶冰区航行过程中的船-冰相互作用，并分析船舶结构上的冰载荷。根据“雪龙号”船体结构模型，采用扩展多面体离散元方法模拟了单船破冰条件下的冰荷载，通过船舶抗冰设计中常用的冰阻力Lindqvist公式和Riska公式校核离散元计算结果。对比结果表明，扩展多面体离散元方法与相关公式计算结果相近，对船舶结构冰荷载的模拟精度较好。采用离散元方法计算了引航条件下破冰船和货船上的冰荷载，分析不同航速和船宽比条件下两船上的冰阻力大小和特点。扩展多面体离散元方法可有效用于船舶结构的冰荷载分析，其计算结果可为冰区船舶设计和航行安全提供重要参考。     

无限元在地基基础-坝体体系数值分析中的应用

为考虑坝体-地基共同作用,建立了有限元-无限元耦合模型.阐述了有限元与无限元耦合模式的基本原理.运用ABAQUS软件对一具有精确解的平面问题分别进行了有限元、有限元-无限元耦合分析,验证了引入无限元模拟无限域或半无限域问题的正确性和精确性.利用其对亭子口升船机坝段做了静动力分析,并与常规有限元法进行了比较.结果表明,采...     

离散元颗粒集合的应力路径相关性研究

天然岩土在受荷过程中会经历不同的应力路径,应力路径相关性是岩土材料的一项基本特性。目前尚无明确研究证实离散元颗粒集合也同样具备应力路径相关性,在一定程度上影响了用离散元方法模拟天然岩土的可靠性。针对这一问题,采用PFC2D离散元软件搭建具有粒间胶结效应的颗粒集合,通过自定义Fish语言开发出能模拟不同应力路径的双轴压缩程序,对离散元颗粒集合进行了多组双轴压缩试验模拟。试验结果表明:离散元颗粒集合同样具有应力路径相关性。在相同颗粒黏结强度及不同初始围压的条件下,围压变小的应力路径比围压不变的应力路径使离散元颗粒集合达到的峰值强度更小。在不同应力路径影响下,离散元颗粒集合在强度特性、破坏特性上都表现出一定的差异性,其结果与真实岩土材料的室内试验结果相似,说明离散元颗粒集合同样具备应力路径相关性,可用来模拟天然岩土材料。     

一种改进的离散元模型建立方法

针对传统动力法建立离散元模型存在的缺点,对其进行了改进。改进后的动力法可以在整个填充区域内随机地投放颗粒,不需要人为指定颗粒投放区域,这样就缩短了后续动力计算的时间。改进动力法建立离散元模型主要包括:根据级配曲线或者指定的半径区间生成初始颗粒半径集合,并将其投放到填充区域内;将投放后的颗粒导入PFC2D进行计算。在PFC2D计算过程中,为了避免颗粒飞到填充区域外,在初始计算阶段将颗粒半径缩小一半,后续采用颗粒半径逐步放大法将颗粒半径恢复为初始值。某些情况下在移除辅助建模边界后,为了避免颗粒出现飞溢现象,采用颗粒半径微调法逐步减小颗粒间及颗粒与边界之间的接触边界力。以某边坡为例,采用改进后的动力法快速正确地建立其离散元模型,验证了该方法的正确性。     

陶家沟尾矿坝三维静力和动力稳定性分析

尾矿坝是金属矿山和非金属矿山重要的生产设施,同时又是重大的危险源,为了保证尾矿库的生产安全,需对尾矿库进行系统稳定性评价。采用邓肯-张模型对陶家沟尾矿坝进行了三维静力和动力有限元分析。得到坝坡的静力稳定最小安全系数为1.26,地震反应结束时的动力边坡稳定安全系数为1.16。分析结果表明,陶家沟尾矿坝在静力状态下是稳定的,在动力作用下尾矿坝的边坡仍然是稳定的,此研究可为尾矿坝施工设计提供参考。     

循环荷载作用下软土中吸力锚变形过程拟动力算法

针对静荷载与循环荷载共同作用下软土中张紧式吸力锚的变形失稳过程进行了研究,通过拟动力有限元法模拟了静荷载和循环荷载共同作用下模型锚变形过程,验证了拟动力算法的可行性。分析过程中采用考虑循环荷载作用历史的等效线性黏弹性计算模型描述饱和软黏土不排水循环动力响应,依据蠕变理论描述土单元的循环累积应变响应。基于ABAQUS有限元软件,借助拟动力黏弹塑性模型提出了一种既能描述土体循环动力响应又能获得土体变形循环累积过程的拟动力算法。通过编制脚本程序PYTHON,将计算土体循环动力响应的过程与分析土体变形累积的过程连接起来,使计算机自动完成整个拟动力有限元算法的分析过程,最终实现了不通过详细跟踪循环荷载作用历史即可获得软土中吸力锚在循环荷载作用下变形逐渐循环累积至失稳过程的拟动力算法。     

基于有限元仿真面板坝脱空分析

文中采用非线性有限元分析方法,并运用沈珠江模型作为堆石体本构模型对面板堆石坝坝体及面板做应力和变形计算。在静力计算的基础上,选择容易产生脱空的区域进行模拟脱空,主要运用隐单元方法来进行脱空问题研究,对面板的挠度和应力与面板坝的一般规律比较并做一定的分析,来论证利用有限元仿真模拟坝体脱空是一种有效的途径。     

基于ABAQUS无限元的静-动力统一人工边界研究

对于强震作用下的大变形和非线性问题,叠加原理不能被用来计算结构的静-动力综合效应,这就涉及到静、动力边界转换或静-动力边界统一的问题。静-动力边界转换法较为繁琐,且如果不施加由静力边界条件引起的节点约束反力,模型存在不平衡力或不平衡力矩,造成计算结果失真。黏弹性静-动力统一人工边界在结构受切向静力作用时数值解精度不够理想。为了既方便又精确地计算结构的静-动力综合效应,提出了利用无限元建立静-动力统一人工边界,推导出适用于外源波动输入的等效节点力计算公式;基于Python语言,编写了等效节点力计算与施加为一体的程序。这种边界不需要进行静力、动力边界转换、应力场的导入以及边界节点约束反力的施加。无限元静-动力统一人工边界实现相对简单,且数值解精度高于静、动力人工边界转换法和黏弹性静-动力统一人工边界,特别是在切向静力的作用下。     

三维流体固体动力耦合模型研究

流体固体动力耦合是众多工程领域的重要问题。由于流体与固体动力特性的巨大差异,二者的耦合研究异常困难,尤其是三维领域的研究更加复杂。本文分析了三维流体、固体接触界面上的运动状态,提出并采用流体固体接触界面的无限点对模式,模拟流体固体的动力相互作用。并利用广义变分原理结合Lagrangian乘子法,引入流体固体接触面约束条件,建立了三维不可压缩流体与固体动力耦合统一分析的理论模型,继而推导了耦合后的动力有限元求解方程,首次将流体与固体动力耦合内力作为未知量求解,使耦合后的流体与固体域的瞬态动力响应从同一方程中解出。经典算例较高的计算精度表明了这种耦合模型的正确性。液体储存箱的地震反应结果表明,固体变形的动力效应是显著的,应引起工程设计的注意。     

坝–基动力相互作用的高阶时域模型

采用有限元法模拟近场有限域、采用基于比例边界有限元法的高阶透射边界模拟远场无限域，建立了一种新颖的坝–基动力相互作用的时域模型。高阶透射边界是采用改进的连分式法求解无限域动力刚度矩阵而建立的，在时域里表示为一阶常微分方程组。它能精确满足无限远处的辐射阻尼，具有全局精确、时间局部和收敛速度快等优点。将近场有限域和远场无限域通过交界面上的相互作用力向量进行耦合，通过联立有限域和无限域的运动方程，建立了坝–基耦合系统的标准动力学方程，采用直接积分法进行求解。该耦合系统的稳定性取决于其系数矩阵的广义特征值问题；如果出现不稳定情况，采用移谱法以消除虚假模态。两个算例结果表明该算法在时域里具有良好的计算精度和效率。     

粗粒料非线性模型(hhu-KG)的有限元实现及工程应用

介绍了一种可以考虑剪胀效应、中主应力影响以及强度非线性的粗粒料非线性模型(hhu-KG模型)。在次弹性理论的基础上将其扩展为一般应力空间中的应力应变关系,并基于土石坝静动力流固耦合可视化分析软件平台开发了该模型的有限元计算程序。采用该模型和邓肯E-B模型对某面板堆石坝进行了三维有限元数值模拟,并对两种模型的模拟结果进行了对比分析。结果显示,相较于邓肯E-B模型,hhu-KG模型计算所得到的最大沉降值与最大面板挠度值略小,而最大顺河向位移值略大,但是两种模型计算所得的坝体与面板变形分布规律大致相同,且符合工程的一般规律,验证了基于次弹性理论推导的刚度系数矩阵的合理性,同时也说明了hhu-KG模型在土石坝静力有限元分析中的适用性。研究成果为粗颗粒土在土石坝的应用提供参考。