大坝混凝土楔入劈拉试验的并发多尺度区域分解数值模拟

并发多尺度区域分解法应用于复合材料力学性能的多尺度数值试验研究,可在同一有限元模型中分别实现对损伤子区域的高精度细观网格剖分和对线弹性子区域的高效率宏观网格剖分。采用随机骨料模型模拟大坝混凝土细观结构,再结合并发多尺度区域分解法,建立了大坝混凝土的并发多尺度区域分解有限元模型;然后,将模型应用于全级配随机凹凸型骨料试件的楔入劈拉试验数值模拟。计算结果表明:(1)该模型能够重现大坝混凝土楔入劈拉试件的跨尺度破坏过程,计算所得的P_h-CMOD曲线以及宏观裂缝区扩展模式均与已有文献的物理试验结果相符;(2)模型的最终计算规模仅为全细观尺度有限元模型计算规模的43.18%。数值试验模拟结果与物理试验所得结果的一致性说明模型合理,此外,计算规模的减小使得模型的计算效率得到了显著提升。     

基于Total-FETI法的混凝土损伤分析子区域剖分研究

在整体有限元撕裂对接法和隐式梯度损伤模型结合的基础上,针对损伤子区域模拟的高精度要求和混凝土损伤扩展路径的不确定性问题,通过引入基于非局部损伤应变的子区域自适应更新方法,结合子区域更新误判修正,实现了混凝土损伤失效过程非线性子区域的高精度有限元网格自适应更新.同时,对L型混凝土试件进行不同子区域剖分数量和子区域分解形式...     

大坝混凝土非连续变形的并发多尺度区域分解法

大坝混凝土的裂缝萌生和失稳扩展分析需要尽可能准确地模拟骨料和砂浆界面的弱不连续，而界面过渡区微米级的厚度模拟使得有限元网格存在网格剖分质量不佳和网格数量庞大的问题。通过在大坝混凝土细观结构的不同材料实体单元间预嵌零厚度界面单元，并进行宏细观子区域界面节点重新匹配，建立了骨料-砂浆-界面单元的宏细观区域分解有限元网格。同时结合隐式梯度损伤模型和内聚力模型，在同一模型中实现骨料、砂浆基质的损伤失效模拟及骨料-砂浆界面的弱连接到脱开模拟，构建了大坝混凝土非连续变形的宏细观并发多尺度区域分解模型。将模型用于某大坝混凝土的直接拉伸试验模拟，不同随机骨料模型均能捕捉骨料和砂浆界面的弱连接到脱开过程。重现的混凝土试件破坏形态与已有研究结果一致，证明了模型的合理性。本研究可为大坝混凝土损伤断裂力学性能的数值试验提供技术支持。     

边坡及挡土墙变形局部化分析

本文将局部和非局部软化损伤线性结合在一起表示非局部软化损伤内变量，给出变形体边界上积分点非局部内变量的复合映射方式。用非局部连续莫尔-库仑模型和次塑性模型(Hypoplasticity)，分别对边坡和挡土墙的变形局部化破坏过程进行了模拟分析。二维、三维有限元计算结果表明，本文采用的软化损伤内变量非局部方式和非局部边界的处理是行之有效的，反映材料微观性态的特征尺度以统计平均的方式表达，在材料本构关系中加以体现，所得计算结果对有限元网格的划分具有不敏感性，因而用非局部连续模型模拟土工建筑物的变形破坏过程具有可行性。     

岩石类材料应变梯度损伤模型研究及应用

本文提出基于应变梯度的损伤模型，并用于材料局部化损伤模拟预测中。在有限元数值计算中对平面问题，使用平面高阶连续高精度单元和有限差分方法耦合，在保证精度情况下可提高计算效率，还避免对传统有限元程序作较大的改动；对三维情况，本文构造了四面体高阶连续单元。算例表明该模型对于避免有限元数值方法局部化预测模拟的单元网格依赖性有非常好的效果，其预测出的局部化损伤与实际破坏情况非常相近。     

大体积混凝土结构温度场冷却水管模拟的叠单元法

水管冷却是大体积混凝土结构重要的温控措施,如何准确模拟其作用是温度场分析中的关键问题之一,由于冷却水管尺寸相对大体积混凝土结构相差较大,其精细模拟是仿真计算的重点。论文提出了大体积混凝土冷却水管模拟的叠单元法。首先,将结构划分为不含冷却水管的整体网格和各冷却水管附近区域的局部网格,整体网格和局部网格相互独立。然后,在局部网格范围内直接采用常规有限元格式,在局部网格的外边界面上设置耦合面,通过热传导方程的协调,实现整体网格与局部网格的耦合。最后,应用本文方法分析了单管和多层弯管的算例,对其计算精度进行了验证。结果表明:叠单元法网格离散简便易行,可兼顾精度与效率,有望应用于工程实际。     

基于应变率相关的非线性损伤模型在高拱坝横缝开度分析中的应用

本文采用应变率相关的混凝土非线性损伤模型以及基于Lagrange乘子的点-点接触直接刚度法，进行了同时考虑混凝土材料非线性以及拱坝横缝接触非线性的高拱坝地震响应分析。研究表明，由于在地震过程中的混凝土非线性软化以及局部损伤开裂的影响，非线性拱坝横缝的开度及分布与采用线弹性混凝土本构关系计算结果有明显的不同，这对于横缝止水的设置具有重要影响。     

长江口北支基于混合网格的通量差分裂水流水质计算模式

本文建立了基于三角形四边形混合网格的二维水流水质耦合数值计算模式。网格通过推进阵面法自动生成，控制方程采用有限体积法对守恒变量进行离散，应用通量差分裂格式(FDS)计算边界上的水量、动量和污染物法向数值通量。模型应用于长江口北支崇海公路大桥修建后的流场浓度场的数值模拟。网格根据工程实际需要分区布置．在工程外区域采用有结构的四边形网格布置，既可贴合实际岸线边界，又便于组织数据结构；在工程附近区域采用无结构的三角形网格布置，利用三角形网格的灵活性实现复杂地形边界和局部小尺度流场浓度场的精细模拟。模型计算出的流场和浓度场与实测值对比令人满意，较好地解决了复杂边界和工程网格尺度问题。     

材料非线性对坝体-地基体系地震响应的影响

传统的线弹性模型不能描述混凝土、岩石在遭遇超出其抗拉、抗压强度的外荷载作用时所表现的非线性性能以及应力重分布现象。本文综合考虑动水压力、地基辐射阻尼效应、横缝开合等影响因素,坝体-地基体系分别采用混凝土损伤塑性模型、D-P弹塑性模型,以白鹤滩高拱坝为例研究混凝土、基岩材料非线性对坝体-地基体系非线性地震响应的影响。计算结果表明:在设计地震作用下,计入混凝土材料非线性影响后,由混凝土线弹性模型计算得到的坝基交界面上的局部高应力区消失,该区域局部范围内混凝土出现拉伸损伤,坝体其余部位混凝土未发生损伤;同时考虑坝基岩体材料非线性后,坝基交界面附近地基出现一定范围的塑性区域,对地震波能量起到一定的耗散作用,坝基交界面附近坝体拉伸损伤程度明显减轻。     

混凝土杆件拉伸分析的非局部损伤力学方法

讨论了非局部损伤力学方法在混凝土杆件拉伸非线性分析中的应用。基于数值结果,分析了局部损伤力学方法在模拟应变软化材料的缺点,发现杆件应变出现跳跃现象,结构反应依赖于单元网格。引入非局部应变概念,讨论了非局部损伤模型,通过与试验结果比较验证了该模型的有效性,并消除了结构反应对单元网格的依赖性。定量评价了内部材料长度对杆端力-位移关系和杆件应变的影响,结果表明内部材料长度是影响结构非线性反应的重要参数。     

钢筋混凝土无腹筋梁受剪承载力尺寸效应研究

利用有限元软件ＤＩＡＮＡ中基于断裂力学的有限元模型,对钢筋混凝土无腹筋梁进行了非线性 分析。在与试验结果进行对比分析的基础上,选取了其中一组试件,在更大尺寸下变换不同骨料粒径、 混凝土强度、截面纵筋配筋率、剪跨比进行建模。通过数值计算,分析了截面高度和骨料粒径对钢筋混 凝土无腹筋梁受剪承载力的影响,并且改进了我国混凝土规范无腹筋构件受剪承载力公式。结果表明: 最大骨料粒径的变化对无腹筋梁受剪承载力无明显影响;梁的破坏剪应力随截面高度增加而降低,但破 坏剪应力的降低幅度随梁高的增大而逐渐减小;改进后的无腹筋构件受剪承载力公式能较好反映大尺 寸无腹筋构件尺寸效应的影响。     

钢筋混凝土构件细观数值模拟分析

在混凝土材料的细观力学分析模型基础上，提出了一种钢筋混凝土构件非线性力学特性分析的细观数值方法。使用本文细观力学方法对轴压加载作用下某一钢筋混凝土柱的损伤破坏过程及宏观力学特性进行了数值模拟研究，并与试验结果和宏观力学模型方法分析结果进行了对比。研究表明：(1) 细观尺度上，采用细观力学模型获得的钢筋混凝土柱的破环模式及宏观力学性能均与试验结果吻合很好，验证了本文细观力学方法的有效性和准确性；(2) 相比于宏观尺度分析模型，细观力学模型考虑了混凝土的非均质特性，从而更真实地揭示了钢筋混凝土柱的破坏过程及破坏模式，且计算结果与试验结果对比也更为吻合。     

物质点法在椭圆骨料混凝土损伤模拟中的应用

为研究混凝土结构的宏观力学响应及损伤行为,应用物质点法这一新型数值方法对椭圆骨料混凝土进行数值模拟研究。基于蒙特卡罗模拟方法,考虑混凝土的细观结构,提出了一种构建随机椭圆骨料混凝土细观几何模型的方法。在该几何模型的基础上,进一步提出一种快速建立混凝土细观物质点模型的方法。分别以弹塑性损伤本构模型和弹性本构模型模拟砂浆和骨料的力学行为,采用开发的物质点法程序对混凝土数值模型进行了单轴拉伸及单轴压缩数值试验。结果表明,物质点法模拟所得的结果与设计规范及有限元结果相近。可见,物质点法为混凝土结构损伤行为的数值模拟提供了一条可行的途径。     

水管冷却混凝土温度场计算的三维p 型有限元法

引入阶谱与自适应技术,将p型有限元法应用于水管冷却混凝土温度场的仿真计算,通过对单元升阶谱,以扩大容许函数空间来提高数值解精度,并编制了p型自适应有限元计算程序。针对同一计算模型,分别采用不同网格密度的常规有限元法和p型有限元法进行了水管冷却混凝土温度场的计算分析和对比研究。结果表明,p型有限元法的计算结果在网格稀疏的情况下仍然能够达到较高的精度,特征点温度时程线和温度场等值线与精细算法值吻合得较好,而常规有限元法则误差相对较大。同时,采用p型有限元法进行水管冷却混凝土温度场模拟,可以在保证计算精度的前提下减少单元数量,从而降低前处理的难度、工作量以及计算的时间成本。     

混凝土试件细观结构的数值模拟

本文将常用混凝土级配曲线与三维富勒级配曲线作了对比分析，从而为基于瓦拉文公式的随机骨料模型对试件内截面进行细观结构的数值模拟提供了依据。在此基础上，采用双折线损伤演化模型描述混凝土细观各相弹性损伤退化，利用有限元方法进行了混凝土湿筛试件、全级配试件单轴受压和全级配混凝土三分点梁弯拉细观结构数值模拟。通过单轴受压数值试验讨论了同一级配不同骨料分布、有限元单元尺寸及试件尺寸对极限荷载计算结果的影响。结果显示：(1)同级配不同随机骨料分布的影响在试验结果统计范围之内；(2)为了充分反映混凝土细观特性的非均性，单元尺寸应小于最小骨料粒径的三分之一；(3)湿筛试件与全级配试件数值模拟结果验证了试件的尺寸效应。在全级配混凝土三分点梁弯拉试验的模拟计算中，讨论了界面单元、固化水泥砂浆基底强度及损伤参数对计算结果的影响。通过细观结构数值模拟，直观显示了混凝土试件单轴受压和三分点梁抗弯曲试验在不同加载阶段微裂缝产生、扩展直至失稳的过程，及其宏观应力-应变曲线的变化情况。基于有关文献资料给定的混凝土各相参数得到的数值模拟结果与试验统计结果相符。     

地下洞室围岩喷钢纤维混凝土抗弯细观机理的三维离散元分析

喷混凝土的抗弯性能是其支护地下洞室围岩强度的重要反映。针对丰宁抽水蓄能电站地下厂房洞室群的钢纤维混凝土喷层,采用三维离散元分析了其抗弯细观机理。在数值分析过程中,提出了基于Voronoi随机多边形的三角分割建模方法;引入了Monte-Carlo法,建立了钢纤维随机分布模型。数值模拟采用了库伦摩擦节理本构模型来表征混凝土材料介质之间的粘结-开裂效应,采用Cable单元来模拟钢纤维作用。结果表明:数值模拟曲线与室内试验曲线基本一致;钢纤维混凝土的弯曲破坏由拉破裂主导,拉破裂路径总体铅直向上,但会受钢纤维作用的影响;在钢纤维混凝土弯曲破坏过程中,钢纤维的屈服大多是由于其与混凝土之间的粘结力达到屈服值,这与室内试验中有较多钢纤维被拔出的现象结论一致。研究结果为丰宁抽水蓄能地下厂房支护结构稳定性提供了重要理论支撑,同时也是室内试验的重要补充内容。     

求解非均质多孔介质中随机水流问题的多尺度有限元降基方法

为高效求解地下非均质多孔介质中的随机水流问题,通过构造一组独立于随机参数取样的多尺度有限元降基函数和生成一个降阶多尺度模型,发展了一种多尺度有限元降基方法(RMsBM)。并应用矩阵离散的经验插值方法(MDEIM)仿射分解非仿射的随机参数问题的离散系统以加速降阶模型的在线计算。为评估所提出方法的性能与效率,对随机非均质多孔介质中的饱和水流问题执行了若干数值试验。数值结果表明:所提出的RMsBM通过选择合适的粗网格和最优数目的局部多尺度降基函数,可在维持良好计算精度的同时,显著提高在线计算效率。     

应变率效应对混凝土动弯拉强度的影响

本文基于混凝土材料的应变率效应及有关试验资料，给出了混凝土材料强度和弹性模量强化曲线，根据该关系曲线并考虑初始静预载的情况，建立了混凝土梁动弯加载过程的有限元数值模型。利用该数值模型模拟了不同加载速率和具有不同初始预静载时梁在冲击荷载作用下动弯拉破坏过程，分析了混凝土强度和弹性模量的应变率敏感性对不同初始预静载水平下的混凝土梁动弯拉强度的影响，初步揭示出动载强度随着应变率变化的规律。研究表明，在复杂加载情况下，动强度与应变历史、应变率历史以及材料的损伤积累有关。     

基于扩展有限元法的重力坝强震潜在失效模式

扩展有限元法（XFEM）通过在相关节点的影响域上富集非连续位移模式，使得对非连续位移场的表征独立于单元边界，可以有效描述混凝土中的裂纹扩展。以Koyna重力坝为例，采用XFEM方法对大坝的动力渐进破坏过程进行计算分析，数值模拟结果与文献中的模型试验结果基本一致，验证了计算模型的有效性。考虑地震动频谱特性的影响，应用黏弹性人工边界，采用合理的地震波动模型对国内某混凝土重力坝强震下的动力破坏过程进行了数值仿真分析，得到不同地震波在不同强震等级作用下的大坝潜在失效模式，并概化出地震作用下坝体的潜在失效模式，为大坝抗震设计、特定失事模式下的工程安全风险率分析及洪水演进提供计算基础。