考虑动水压力和流固耦合的库水-坝体-地基系统建模与动力分析

结合动水压力模型和罚函数耦合算法，考虑地基和坝体结构的接触以及边界效应，构建动水压力和流固耦合作用下的库水-坝体-地基地震响应分析模型和方法。通过与试验结果及解析解和实测数据对比，验证了本文模型和方法能准确反映系统地震荷载和分析整体耦合系统的动力响应，引入罚函数处理流固耦合界面能提高计算收敛速度。进一步以某重力坝工程实际为背景，验证本文构建的模型和方法适用于库水-坝体-地基耦合系统动力分析的可行性，并分析了地震作用下地基变形对系统动力响应的影响。     

锚杆拉拔力学作用机制的DDA方法模拟研究

为研究锚杆拉拔实验中锚杆与岩体间的力学作用过程和机制,在非连续变形分析(discontinuous deformation analysis, DDA)方法中实现锚杆-岩体界面耦合作用算法,采用多线性黏结滑移界面模型模拟锚杆的滑移脱黏,并针对锚杆拉拔力作用节点和脱黏节点提出专门算法。通过模拟结果与实验结果的对比,对文献中的三线性和四线性黏结滑移界面模型进行参数修正,并验证所提锚杆-岩体界面耦合作用算法的正确性和适用性。通过基于修正参数的多线性黏结滑移界面模型的锚杆拉拔DDA模拟,研究了锚杆的拉拔力-拉拔位移关系,以及不同拉拔力条件下锚杆-岩体界面切应力和锚杆轴力的分布与变化规律,并探讨了锚杆弹性模量对锚杆拉拔力学响应的影响。锚杆-岩体界面耦合作用算法的实现,也为岩体锚固的DDA模拟分析创造了条件。     

高拱坝伸缩横缝间布设抗震钢筋的动力反应分析

应用动力非线性子结构理论,对设置伸缩横缝的小湾高拱坝实际工程结构抗震分析中的坝体横缝加抗震钢筋问题进行了研究。讨论并建立了坝体伸缩横缝在地震荷载作用下穿越缝间抗震钢筋的数学模型,给出了动力非线性子结构法考虑缝间抗震钢筋影响的求解公式;并就正常高水位常与低水位两种水位工况,对坝体的抗震性能进行了计算分析。讨论了在地震荷载作用下抗震钢筋对坝体横缝张开度、坝体应力以及加速度响应的影响。     

MPS-FEM数值分析带自由面的流固耦合问题

随着计算科学的发展,研究人员为探索流固耦合问题的物理机理而提出了众多的数值方法。其中,耦合的移动粒子半隐式方法 MPS(Moving Particle Semi-Implicit method)和有限单元法FEM(Finite Element method)为流固耦合问题的数值仿真工作提供了新的途径。本文所有流场的数值模拟工作均采用课题组自主开发的无网格法求解器MLParticle-SJTU来完成。该求解器在原始的MPS法基础上,对核函数、压力梯度模型、压力泊松方程的求解和自由面判断方式等方面进行了改进。此外,在该求解器框架内,基于FEM法拓展了针对结构场进行求解的功能。首先,对MPS和FEM方法的理论模型及其耦合策略进行了介绍。然后,采用该自研MPS-FEM耦合求解器,数值模拟了溃坝流动对弹性结构的冲击及其相互作用的标准问题。通过将结构变形及自由面波型变化等结果与已发表结果进行对比,验证了该求解器在处理带自由面剧烈变化的粘性流体和柔性变形结构的耦合作用问题上的可行性。     

基于摄动法分析重力坝损伤的概率密度演化过程

提出了一种对重力坝进行损伤概率演化过程分析的方法.首先,使用虚拟激励法和Mazars损伤模型分析了初始迭代过程中,在坝体在确定性静力荷载和随机的地震荷载激励下的重力坝损伤因子期望值与方差的计算;然后基于摄动法分析了在其余迭代过程中,重力坝损伤因子的概率密度演化过程.最后,给出了实例分析,并分析了坝体的损伤分布情况以及本...     

转动结构在铜合金板带残余应力及变形检测中的应用

本文提出了一种转动结构用于铜合金冷轧板带残余应力检测以及面内形变的测量方法。用有限元法(FEM)对转动结构作了设计并优化以提高测量灵敏度、便于用线切割制备试样。在专用试验台上模拟残余应力释放,用应变仪和工具显微镜同时测量转动结构对应的应变和变形量输出,标定结果显示转动结构对残余应变检测灵敏度为0.49μm/10-6、相对偏差<4%,与FEM计算结果相吻合。分别用转动结构和化学腐蚀法对铜合金板带C194(600mm×0.23mm)纵向残余应力作了检测,两种方法的试验结果非常接近。本文提出的转动结构在精密铜合金板带残余应力和变形检测中具有测量准确、便捷、检测效率高的特点。     

三峡永久船闸衬砌墙分水平缝对结构及结构锚杆受力影响研究

采用考虑三维接触非线性的结构温度徐变仿真计算方法, 针对三峡永久船闸 (全衬式和混合式)闸室墙整体和分缝两种结构形式进行了计算分析, 研究表明:闸室墙分水平缝可以有效地降低全衬式和混合式结构混凝土铅直向拉应力, 但使最大锚杆拉应力值和平均锚杆拉应力值增加, 分布的离散性增大, 在横缝和纵缝交点附近出现锚杆拉应力集中现象。     

一种自适应轴对称FEM-SPH耦合算法及其在高速冲击模拟中的应用

为了准确、高效地模拟高速冲击问题,提出了一种自适应轴对称有限元(FEM)-光滑粒子流体动力 学(SPH)耦合算法。该算法在初始时刻全部采用FEM 计算,在动态变形过程中自动将畸变单元转化为粒 子,采用SPH 计算。该算法采用一种新的耦合算法实现单元与粒子间的高精度耦合,并应用最小内角转化准 则和单元分组转化方式实现单元向粒子的自动转化。计算了几个典型的高速冲击问题:首先,通过计算应力 波传播测试了新的单元-粒子耦合算法的精度;然后,通过计算泰勒杆问题验证了自适应耦合算法及相应程序 的正确性;最后,计算了弹体侵彻铝板和混凝土板。结果表明:自适应耦合算法计算精度好且效率高,适合模 拟高速冲击问题。     

无网格Galerkin法与非协调元方法的耦合

无网格Galerkin法(EFGM)处理不可压缩问题时不存在自锁现象，有限元方法(FEM)也常被用来与其耦合以方便地施加边界条件和提高计算效率。在有限元方法中使用等参元，EFGM与FEM的耦合方法在处理不可压缩问题时仍然存在自锁现象。本文在有限元方法中，采用非协调元，将无网格kGalerkin法与非协调元耦合，保留了耦合方法的优点，且避免了求解不可压缩问题时的自锁现象。算例显示本文方法在分析平面应变不可压缩问题时能得到合理的结果。     

岩石力学与工程问题的DDA和NMM模拟研究进展

全面回顾了非连续变形分析(DDA)方法与数值流形方法(NMM)在岩石力学与工程问题模拟领域的研究与应用进展。首先论述了相关理论与算法的研究现状,包括DDA中旋转虚假体积膨胀及能量损耗问题的解决,开裂破坏模拟的子块体单元DDA方法和节点DDA方法,以及颗粒DDA方法的发展等;也包括对NMM开裂破坏模拟能力及双重覆盖系统的研究,无网格NMM及粒子NMM的发展等;其中还涉及单纯形积分、高阶方法、材料本构模型、显式与并行计算的研究等;此外还对接触相关问题的研究进行了专门论述。随后,对DDA与NMM在岩体边坡失稳与落石、地下岩体结构的变形与破坏、应力波传播与岩石爆破、岩体结构地震破坏与失稳及岩体锚固工程领域的代表性研究与应用工作进行了详细论述。在此基础上,凝练和论述了DDA和NMM研究与应用面临的主要问题与挑战,包括计算控制参数、计算效率、多物理场、三维方法、程序的商业化开发等,并给出了相应的对策建议。     

三维连续与非连续变形分析

将石根华博士所提出的二维非连续变形分析——Discontinuous Deformation Analysis（DDA）方法扩展到三维情况,并对三维不连续块体进行有限元网格剖分,即块体之间的接触采用DDA描述,块体内部的位移场和应力场则采用有限单元法描述,从而将三维DDA与有限元方法结合起来,增强了DDA方法与有限元方法解决实际工程问题的能力,实现了三维连续与非连续变形分析.给出了基本公式的推导过程和各子矩阵的形式.典型接触、碰撞算例证明了所提出方法的有效性和正确性.     

Comparison of near- and far-fault ground motion effect on the nonlinear response of dam–reservoir–foundation systems

In this paper, it is aimed to compare the near- and far-fault ground motion effects on the nonlinear dynamic response of dams including dam–reservoir–foundation interaction. Two different types of dams, which are concrete arch and concrete faced rockfill dams, are selected to investigate the near- and far-fault ground motion effects on the dam responses. The behavior of reservoir water is taken into account using Lagrangian approach. The Drucker–Prager material model is employed in nonlinear analyses. Near and far-fault strong ground motion records, which have approximately identical peak ground accelerations, of Loma Prieta (1989) earthquake are selected for the analyses. Displacements, maximum and minimum principal stresses are determined using the finite element method. The displacements and principal stresses obtained from the analyses of dams subjected to each fault effect are compared with each other. It is clearly seen that there is more seismic demand on displacements and stresses when the dam is subjected to near-fault ground motion.     

基于联合有限元-离散元的混凝土重力坝破坏三维仿真模拟

水利工程中混凝土重力坝在地震等作用下的三维破坏形式以及破坏过程对大坝安全影响重大。本文建立了固体材料的联合有限元-离散元(Combined Finite-Discrete Element)三维数学模型,并引入Single/Smeared断裂损伤模型,模拟混凝土材料的破坏。数学模型经验证后,用于地震作用下混凝土重力坝破坏的三维数值模拟,结果表明,联合有限元-离散元方法能够有效模拟坝体的破坏模式和破坏阈值条件,且具有将坝体连续变形与不连续断裂有机结合的优点。通过一系列数值模拟工况的对比,分析了模型网格分辨率对破坏条件、破坏模式以及程序计算效率的影响,研究结果能够为大坝的抗震设计提供有价值的参考。     

探讨碾压混凝土坝薄层单元有限元分析法

分析了碾压混凝土层面影响带厚度、物理力学参数等确定的方法，提出了薄层单元有限元法的原理和方法，探讨了该方法在分析碾压混凝土坝工作性态中的应用。实例表明，薄层单元有限元法能较有效地分析带有层面的碾压混凝土坝性能。     

水下爆炸冲击荷载作用下混凝土重力坝的破坏模式

考虑混凝土的高应变率效应,构建重力坝水下爆炸全耦合模型,运用显式动力分析程序LS-DYNA, 对水下爆炸冲击荷载作用下大坝动态响应进行分析,探讨大坝可能破坏模式及相应的破坏机制。研究 表明,大坝破坏模式不仅与坝体的自身动力特性有关,还取决于炸弹起爆时的水下深度、爆心距及炸弹药量; 重力坝坝头是抗爆性能薄弱部位,大坝可能破坏模式为上游迎爆面的爆炸成坑破坏、坝顶及坝下游面的震塌 破坏、坝头与上游直面交接处及下游折坡附近的脆性冲切破坏并出现贯穿性裂缝破坏。     

水下爆炸对重力坝的毁伤效应及最优爆距

为研究不同爆距水下爆炸对重力坝的毁伤效应,并探讨是否存在“最优爆距”,基于离心模型试验建立了炸药-库水-空气-重力坝结构的全耦合数值模型,并设计了60组数值计算工况。不同工况水深均为600 mm,炸药量为2.2 g,重力坝模型几何比尺为1/80,包含5组爆深（50～250 mm）,每组爆深对应12组爆距,爆距范围为10～200 mm,相应比例爆距范围为0.077～1.54 m/kg1/3。对比分析了不同爆距水下爆炸对重力坝的毁伤程度,并定量比较了重力坝平均损伤、单元删除率、应力、应变等参数。结果表明,对于重力坝整体结构破坏,如重力坝整体弯曲导致的拉伸破坏,水下爆炸对重力坝的毁伤效应存在“最优爆距”,即随着爆距增加重力坝毁伤程度先增加后降低;与之类似,随着爆距的增加,重力坝上游坝面损伤区域的平均损伤、重力坝单元删除率、坝踵最大拉应力平均值和坝踵最大拉应变平均值先增加后降低且在40 mm爆距附近达到最大值。保持水深、炸药量和重力坝几何模型相同,5组不同爆深近水面水下爆炸对重力坝毁伤效应的“最优爆距”均在40 mm附近,表明近水面水下爆炸时爆深对“最优爆距”不存在显著影响。     

Time-dependent hydroelastic analysis of cavitating propulsors

A 3-D potential-based boundary element method (BEM) is coupled with a 3-D finite element method (FEM) for the time-dependent hydroelastic analysis of cavitating propulsors. The BEM is applied to evaluate the moving cavity boundaries and fluctuating pressures, as well as the added mass and hydrodynamic damping matrices. The FEM is applied to analyze the dynamic blade deformations and stresses due to pressure fluctuations and centrifugal forces. The added mass and hydrodynamic damping matrices are superimposed onto the structural mass and damping matrices, respectively, to account for the effect of fluid–structure interaction. The problem is solved in the time-domain using an implicit time integration scheme. An overview of the formulation for both the BEM and FEM is presented, as well as the BEM/FEM coupling algorithm. Numerical and experiment validation studies are shown. The effects of fluid–structure interaction on the propeller performance are discussed.     

Reservoir water level effects on nonlinear dynamic response of arch dams

In this study, reservoir water level effects on nonlinear dynamic response of arch dams are investigated. For this purpose, the nonlinear behaviour of the dam concrete is idealized as elasto-plastic using the Drucker–Prager model based on the associated flow rule assumption. Water in the reservoir is represented by the Lagrangian (displacement-based) fluid finite elements. The program NONSAP is modified for elasto-plastic analysis of fluid–structure systems and employed in the response calculations. Nonlinear dynamic analysis of an arch dam subjected to earthquake ground motion is performed for five different water levels. The El-Centro N–S component of the Imperial Valley earthquake, on May 18, 1940, has been used as the ground motion. The crest displacements, the maximum tensile stresses on the upstream and downstream faces of the dam and the time history of the yield function of an element in the dam body are presented. The results obtained from nonlinear analyses for different water levels are compared with each other. It is apparent that the reservoir water level effects must be considered in the elasto-plastic analyses of arch dams to earthquake ground motion.     

混凝土大坝抗震中的力学问题

论述了我国混凝土大坝抗震安全性评价的工程背景和指导思想,着重于简介高拱坝体系特点的线性和非线性地震响应分析方法．讨论了混凝土大坝随机地震响应及其抗震可靠度评估方法．此外,还基于大坝混凝土全级配试件动力试验成果,通过三维细观力学分析,探讨了其动态破坏过程和机理及应用CT技术的验证。     

考虑混凝土应变率变化的高拱坝非线性动力响应研究

提出一种新的应变率相关的混凝土非线性弹塑性损伤模型。采用此模型对混凝土拱坝的非线性地震响应作了分析。在综合考虑坝-地基-库水动力相互作用和坝缝非线性接触的基础上，着重研究了混凝土应交率相关效应及加载历史对混凝土极限强度等重要参数及拱坝响应的影响，并与采用不考虑应交率影响的混凝土损伤模型计算结果进行了对比分析。结果表明，拱坝考虑横缝作用后的坝面应变率分布不同于整体拱坝。应交率分布形态不仅可以很好地表征拱坝的振动形态，而且对于高拱坝的动力响应的影响也不可忽略。