公铁两用隧道动态响应的并行计算分析

具有复杂结构和多种用途的隧道正受到广泛运用。为了分析隧道结构在多种载荷下的响应特性,在LS-DYNA环境下,建立了列车-隧道-土体的动力耦合三维有限元计算模型,采用基于负载均衡的并行计算技术,解决了该大规模非线性有限元模型的求解难题。结果表明：运用动力松弛法加载静应力场可以取得较好的效果;加载静应力场时,隧道与土体接触计算更准确,且应力响应分布规律不同;列车及公路车辆载荷的影响远大于轨道不平度的影响,隧道衬砌在公路车道准静态载荷下的垂向位移约1.15mm,在列车动载荷作用引起的垂向位移峰值约0.8mm;基于接触负载均衡的并行计算方法提高了约15%的计算效率,而对于CPU数量的选择,需要综合考虑模型的规模和空间拓扑结构。     

弹塑性本构模型计算冻结壁应力场和位移场

应用冻结壁在卸载状态下冻结壁-周围土体共同作用的力学模型,基于大量的冻土应力-应变关系曲线的试验,采用弹塑性非线性本构模型计算冻结壁应力场和位移场.计算结果表明,由于冻结壁在周围土体共同作用下外载比原始水平应力要低,计算的应力场和位移场和有限元模拟接近地.     

由爆炸引起的隧道衬砌与土体相互作用机制的数值模拟分析

为探究爆炸引起的隧道衬砌与土体相互作用机制,基于埋深15 m、含有全饱和颗粒土的单个圆形混凝土线弹性管片组成的隧道模型,对隧道内的管片衬砌与土体在中等幅值的爆破压力脉冲引起的动态变形进行了数值模拟分析.利用有限元程序Abaqus/Standard并结合二维平面应变理论进行建模,同时考虑绝对孔隙压力为零时孔隙水空化,通过精细化单元空间离散,分析了管片衬砌和土体中的应力和变形.研究结果表明:孔隙水空化引起的强非线性对土体性能具有重要影响.具体表现为:孔隙水空化能够显著降低土体的体积模量,并导致大空化带的形成,使得孔隙水从非空化状态向空化状态转变,或从空化状态向非空化状态转变,导致压缩-拉伸过程中土体的应变-应力关系呈现高度非线性,在气蚀区收缩和最终关闭期间,该非线性会在水气混合物溶液中产生高梯度和奇点.     

基于CFD/CSD耦合的结构几何非线性静气动弹性数值方法研究

柔性飞行器在气动力作用下会发生大变形,产生结构几何非线性,线性小变形方法难以获得准确的气动弹性分析结果。基于RANs的三维N-S流场控制方程耦合非线性结构静力学方程时域分析方法,用于考虑结构几何非线性的静气动弹性分析。该方法在结构静力学方程求解上采用非线性增量有限元方法进行迭代求解,考虑结构刚度矩阵随结构位形的变化,采用径向基函数方法实现气动/结构界面的数据交换和动网格变形。在建立某型宽体客机复材机翼三维有限元模型的基础上,对其静气动弹性进行了数值仿真,分析了线性结构和考虑结构几何非线性的结构在静气动弹性作用下翼面扭转、展向位移、垂向位移以及升力系数等物理量。算例结果表明,与线性结果相比,非线性结构由于结构几何非线性的影响,在展向和垂向变形上两者存在显著差异。为准确进行柔性结构的气动弹性分析,必须考虑结构几何非线性的影响。     

盾构隧道管片衬砌内力分析的壳-弹簧-接触模型及其应用

考虑开挖后的洞周应力释放效应,采用有限元方法,使用厚壳、剪切弹簧、转动弹簧、压缩弹簧、接触及空间实体多种单元分析盾构隧道管片衬砌的三维内力状态,提出了地层-结构模式下的壳-弹簧-接触计算模型。该模型较好地考虑了管片间接缝处的挤压作用、管片接头刚度的影响、管片与围岩的共同变形以及封顶块的近似插入角,因此能有效地模拟盾构隧道管片衬砌的复杂受力状态。     

钢筋混凝土框架-剪力墙结构在强震作用下的非线性分析——Ⅰ.理论与方法

本文运用结构动力分析与钢筋混凝土结构非线性有限元理论,采用等效杆系模型对强震作用下的钢筋混凝土框架-剪力墙结构进行非线性时程分析。考虑了杆件的弯矩-轴力相互作用,钢筋粘结滑移的影响以及P-△效应。算例表明,本文方法及其程序计算时间及占用内存少。同时亦能很好地解释震害和预测地震时结构可能发生的破坏。     

地铁车辆交会对单洞双线隧道影响的数值模拟

为利用显示非线性有限元法分析地铁交会工况对南京某大型单洞双线隧道的影响,基于拟实建模方法,在LS-DYNA环境下建立了地铁车辆-单洞双线隧道-土体耦合系统的全三维有限元计算模型。模型非常接近真实情况,使用了接触方法来模拟轮轨之间,衬砌与土体之间的动力相互作用,使用了人工边界来模拟无限区域,还考虑了水压和土体预应力。对双车交会工况进行计算分析,得到单洞双线隧道在交会工况作用下的动力响应规律。结果表明:地铁交会产生的应力响应和位移响应都属于很小量级,隧道在交会工况下是稳定的。结果能为此类隧道的设计提供参考。     

考虑反复加载时混凝土损伤积累的RC平板及剪力墙的有限元分析模型的开发

反复荷载作用下的混凝土、钢筋的本构模型是评价和分析钢筋混凝土(RC)结构的承载力-变形特性关键,旨在开发适用于反复荷载作用下RC平板、剪力墙的2维非线性有限元分析的材料本构模型,探讨并推出了反复荷载作用下在混凝土的本构模型中考虑混凝土损伤积累的方法;并对RC平板和剪力墙进行了反复加载的2维有限元模拟。分析结果与实验结果的比较表明,采用所建议的考虑损伤积累的2维非线性有限元分析模型由加载至最大承载力前能很好的模拟反复加载时RC平板、剪力墙的非线性特性。     

基于解析刚度模型的钢筋混凝土框架结构二阶效应分析

考虑材料非线性和几何非线性对钢筋混凝土框架进行了结构承载力分析。在结构承载力分析过程中,考虑混凝土的拉伸硬化作用,根据欧洲规范等效曲率公式提出了解析刚度计算模型;根据变形协调条件,考虑框架结构P-Δ效应和杆件P-δ 效应得到杆件的侧向变形计算公式。该文利用提出的解析刚度计算模型和框架结构侧向变形公式实现了框架弯矩重分布。将该文提出的方法的计算结果与已有的试验结果对比表明:该方法可行,框架弯矩和侧向挠曲变形随荷载增大呈现明显的非线性。     

土与结构接触面土体软/硬化本构模型及数值实现

基于土与结构接触面变形特性分析,将接触面土体的剪切滑动面与单元体三维应力状态下的八面体面相对应,通过土的三维弹塑性本构模型在八面体面上的剪切应力-应变关系,建立了接触面土体剪切应力-应变关系;将接触面土体法向压缩变形与侧限压缩条件相对应,通过侧限压缩条件下的荷载变形关系,建立了接触面土体法向应力-应变关系;进一步将接触面土体切向与法向耦合,建立了接触面土体本构模型,模型只有4个材料参数,参数物理意义明确,可由等向压缩试验和常规三轴压缩试验确定。与接触面土体试验结果的对比分析表明,所建立的本构模型可较好地描述接触面土体切向软/硬化特性与法向变形规律。结合有限元软件ABAQUS,编制了FRIC模型子程序,通过模拟土与结构界面剪切滑移过程表明,编制的FRIC子程序可较好地模拟土与结构界面接触的非线性力学行为。     

双连拱隧道施工中衬砌开裂与力学行为研究进展

双连拱隧道因其较高的空间利用率而在工程中被广泛应用,然而在后行洞施工过程中先行洞衬砌常发生开裂。为研究此过程中衬砌的开裂及力学行为,该文提出了将分布式光纤监测、反演分析方法及可反映混凝土开裂行为的有限元模拟相结合的研究方法,在广泛调研国内外文献的基础上,梳理总结了该课题组研究相关成果,包括：依托于实际工程,实现了分布式光纤监测在连拱隧道施工中的应用;提出了精度更高的衬砌结构力学行为反演分析方法;验证了利用总应变旋转裂缝本构模型反映复杂受力及约束下的钢筋混凝土构件力学性能和开裂模式的可行性。该文的研究方法与结论可为有关工程实践提供参考。     

内水压作用下粘弹性饱和土-隧洞衬砌相互作用

混凝土衬砌既有粘弹性性质,又有渗透性。实际工程中内水压力值由衬砌和孔隙水共同承担,该文通过引入与孔隙流体体积分数有关的应力系数合理地分配了衬砌和孔隙水分别承担的内水压力值。根据衬砌和土体界面处衬砌中流体速度和土体中流体速度相等以及应力和位移连续性条件建立了部分透水边界条件。将衬砌和土体分别视为多孔粘弹性材料和液固两相介质,采用饱和多孔介质理论和粘弹性理论,在频率域内给出了内水压力作用下粘弹性饱和土-衬砌相互作用时饱和粘弹性土位移、应力和孔压和衬砌的位移和应力解析表达式。进行了参数研究,表明:应力系数以及衬砌和土体相对渗透系数对系统动力响应影响很大。另外,应力系数合理地确定了边界衬砌和孔隙水分别承担的内水压力值。     

Fatigue crack closure determination by means of finite element analysis

Plasticity-induced crack closure is an observed phenomenon during fatigue crack growth. However, accurate determination of fatigue crack closure has been a complex task for years. It has been approached by means of experimental and numerical methods. The finite element method (FEM) has been the principal numerical tool employed. In this paper the results of a broad study of fatigue crack closure in plane stress and plane strain by means of FEM are presented. The effect of three principal factors has been analysed in depth, the maximum load, the crack length and the stress ratio. It has been found that the results are independent of maximum load and the crack length, and there exists a direct influence of the stress ratio. This relation has been numerically correlated and compared with experimental results. Differences have also been established between opening and closure points and between the different criteria employed to compute crack closure.     

基于离散元法的脆性岩石细观蠕变失稳研究

为从细观角度探究脆性岩石的蠕变失稳过程及失稳机理,该文基于三维颗粒流程序（PFC3D）考虑岩石的时效变形损伤过程,引入岩石细观单元时效损伤的应力腐蚀模型,建立了基于离散元方法的岩石时效变形损伤破裂模型,并通过单轴压缩及单轴蠕变的室内实验和数值模拟对比验证了所建立的时效变形损伤破裂模型的合理性。数值模拟再现了岩石的初始蠕变、稳态蠕变和加速蠕变三个蠕变阶段,同时模拟结果表明,在单级加载条件下,随着应力水平提高,稳态蠕变应变率显著增大,岩石蠕变失效时间逐渐缩短,初始轴向应变、初始侧向应变和初始体应变不断增大,且细观裂纹扩展形式与单轴压缩破坏形式基本相同,都是以拉伸裂纹为主,裂纹的增长速率随着时间增加而不断增大,尤其在第三蠕变阶段裂纹增长速率迅速增大;在分级加载试验过程中,模型的轴向应变、侧向应变和体应变以及裂纹最终扩展形态与单级加载基本相同;此外将三维蠕变模拟结果与二维模拟结果进行对比,结果显示三维模型拟合程度更高。     

几何非线性扩展有限元法及其断裂力学应用

该文将扩展有限元方法应用到几何非线性及断裂力学问题中,并研制开发了扩展有限元Fortran程序。扩展有限元法其计算网格与不连续面相互独立,因此模拟移动的不连续面时无需对网格进行重新剖分。该文推导了几何非线性扩展有限元法的公式,在常规有限元位移模式中,基于单位分解的思想加进一个阶跃函数和二维渐近裂尖位移场,反映裂纹处位移的不连续性,并用2个水平集函数表示裂纹;采用拉格朗日描述方程建立了有限变形几何非线性扩展有限元方程;采用多点位移外推法计算裂纹应力强度因子并通过最小二乘法拟合得到更精确的结果。最后给出的大变形算例表明该文提出的几何非线性的断裂力学扩展有限元方法和相应的计算机程序是合理可行的,而且对于含裂纹及裂纹扩展的问题,扩展有限元法优于传统的有限元法。     

MODELLING THE INFLUENCE OF STRAIN HARDENING AND PLASTIC CONSTRAINT ON CRACK CLOSURE OF ARBITRARILY THICK CCT-SPECIMENS

The triaxial stress constraint and the effective yield stress distribution in the plastic zone for strain hardening materials are studied, and then a modified strip-yield model is proposed to investigate the thickness effect of CCT specimens. Consequently, a plastic constraint factor α is defined and analysed in detail. The results show that the factor α can comprehensively account for the influence of thickness, crack length, loading level and hardening exponent. A simple expression for the plastic zone length and a fitting expression involving α are obtained. Application of the modified strip model to Newman’s crack closure model, and comparison with FEM results, show that the model can account for the influence of thickness on crack closure.     

高温后HSC粘结滑移基础参数测量与3D有限元数值模拟

通过自行设计的装置测量了高温后粘结问题中的化学胶结力和摩擦系数,得出了它们随温度经历的变化规律。利用测得的基础参数定义了钢筋与混凝土界面的弹塑性库仑摩擦准则并将其植入有限元模型;采用面-面接触的接触单元模拟混凝土与钢筋界面的力学行为。模型通过对钢筋肋的显式离散实现了钢筋肋与混凝土间机械咬合作用的模拟。数值结果和试验数据的对比表明,该文提出的模型可以较好的模拟高温后带肋钢筋和混凝土之间的粘结滑移。最后,利用有限元模型对400℃温度经历拔出过程中的应力分布及裂缝的扩展进行了细致的研究。     

缠绕肋缠绕过程试验及力学行为分析

首先通过单向拉伸试验测试和理论计算两种方法得到4层(45?/?45?/45?/?45?)铺设碳纤维复合材料的弹性模量,作为文中数值计算及弯矩分析的材料参数。通过4层(45?/?45?/45?/?45?)铺设碳纤维复合材料肋进行整体缠绕过程试验,得到肋整体缠绕过程肋表层应变和缠绕弯矩。利用ABAQUS分别建立了复合材料肋整体缠绕精细有限元模型,实现了缠绕一周过程强几何非线性数值模拟分析,得到各层应力、应变特征和缠绕弯矩,并与试验结果比较分析。进而给出缠绕弯矩解析表达式,并对材料铺设与厚度进行分析,得到缠绕过程最优材料铺设机理与最大厚度分析方法。该文对缠绕肋设计和深入研究具有重要参考价值。     

EFFECT OF NOTCH STRESS FIELD AND CRACK CLOSURE ON SHORT FATIGUE CRACK GROWTH

Abstract— The growth rate of a short fatigue crack that is partly or wholly embedded within the notch plastic zone, is affected by the extent and intensity of the elastic-plastic notch stress field and closure effect. The notch stress—strain field and plastic zone were analysed by the Finite Element Method (FEM). The growth rate and the closure curve for a short fatigue crack emanating from the notch root were measured. Based on the experimental and numerical analyses, a modified Linear Elastic Fracture Mechanics (LEFM) parameter is proposed for a short through-thickness crack emanating from a notch root under elastic—plastic loading conditions.     

Determination of dynamic fracture toughness for PMMA

A dynamic FEM (finite element method) and a strain gage method are applied to analyze the dynamic fracture toughness and SIF (stress intensity factor) for PMMA (polymethyl methacrylate). The analyses are carried out for plates with an edge crack subjected to one-point bending in a plane of the plate. A simple procedure that the present author has proposed is applied to the problem of using a triangular element of assumed constant strain on finite element analysis. The numerical simulation by FEM provides values for the applied forces as measured with the strain gages. Also, a crack initiation time is measured with the strain gage mounted around the crack tip. The dynamic fracture toughness is determined by adapting the crack initiation time to the simulation curve of the dynamic SIF calculated by the FEM. In this study, the usefulness of the method to determine the dynamic fracture toughness is investigated by comparing predictions with the experimental results for dynamic stresses and SIFs.