基于持续同调的边坡破坏过程的拓扑特征研究

首先利用软件UDEC对边坡处于地震荷载作用下的失稳破坏过程进行模拟,研究了边坡失稳破坏时的动态响应,得到了边坡的变形特征和位移云图,然后运用持续同调理论对边坡失稳状态进行分析,生成条码图,从条码图中提取边坡的拓扑特征,找到边坡失稳临界状态对应的拓扑特征,建立拓扑特征与失稳演化的关系.最终为边坡失稳破坏预测提供一种拓扑化研究工具.研究表明,最长贝蒂1条码的变化反映了边坡的演变过程及失稳破坏规律,贝蒂1条码的突变意味着边坡发生了失稳破坏.运用离散元法和持续同调理论对边坡处于外荷载作用下的破坏特征进行研究,可以更好地了解边坡的破坏机理,为工程防护提供理论依据,同时也为边坡安全设计与灾害预报研究提供了一种全新的数学方法.     

水平层状岩体边坡动力响应中的结构面效应研究

根据应力波传播原理分析了水平层状岩体边坡中应力波传播特征,建立了应力波在该类边坡中传播的模型。利用离散元软件UDEC分析了不同频率垂向压缩应力波作用下边坡动力响应规律中的结构面效应。结果表明:边坡中的水平层面对坡顶的动力响应有明显影响。低频应力波作用下,水平层状岩体边坡坡顶的垂向峰值速度较均质坡体相同部位的峰值速度的增加值随坡高增加而增大。较高频率应力波作用时,边坡顶部靠近坡面的垂向峰值速度高于无结构面边坡相同部位的峰值速度,远离坡面时情况相反; 坡顶垂向峰值速度大小呈周期性变化,输入应力波频率越大该变化频次越高。研究结果将有助于进一步揭示各种不同岩体结构类型边坡在动力荷载作用下损伤机理及破坏模式。     

强度折减有限元在堤防稳定分析中的应用研究

采用强度折减有限元法,研究非均值堤防塑性区的开展特征和失稳破坏过程,并根据堤防应力场分布和临界滑动面的形成来分析堤岸整体失稳破坏的机理。结果表明:把强度折减有限元应用到非均质土层的堤防边坡稳定分析,在理论上、数值模拟实现上都是可行的; 有限元静力平衡和位移计算不收敛作为堤防边坡整体失稳的标志,同时考察滑移面上某些特征点的位移与荷载增量的关系、参考土体内坡脚向坡顶上方贯通的塑性滑动带的形成,可以准确判别堤防边坡失稳破坏状态; 此外,堤防失稳时的应力场分布特征表明,有必要应用张拉-剪切复合屈服准则,以真实反映堤防边坡的临界滑动面形成机理。     

软弱夹层几何参数对试样力学行为影响颗粒元模拟研究

基于离散元理论的颗粒元程序,采用颗粒接触连接模型和滑动模型,建立了含软弱夹层试样的颗粒元模型。通过数值模型实验,对不同软弱夹层几何参数试样进行加载模拟,探讨了不同夹层厚度及不同倾角条件下试样的破坏过程和破坏形式,并分析其对试样强度的影响。模拟结果表明,裂隙首先产生于软弱夹层处,随着荷载的增加,再逐渐扩展,呈现渐进性破坏特征;夹层越厚,倾角越大,试样沿软弱夹层呈现较强的滑动特征,如果夹层薄且缓,软弱夹层成为试样破坏的非控制因素;软弱夹层厚度和夹角对试样的峰值强度都有影响,随软弱夹层厚度和夹角的增大,试样的峰值强度降低。     

周期荷载作用下煤岩声发射特征的颗粒流模拟

为研究周期荷载应力水平对煤样声发射特征的影响,采用PFC数值软件开展了3种不同应力水平的等幅周期荷载数值模拟试验,分析了周期荷载应力水平对煤样破坏循环次数、声发射计数及损伤演化特征的影响。研究结果表明:周期荷载作用下,煤样破坏过程中的声发射活动呈现初始、相对平静和活跃三阶段演化规律,且在煤样破坏前的周期荷载卸载阶段及低应力水平阶段几乎没有声发射活动;周期荷载上限应力水平的微小提高会加快煤样的破坏过程。提出了声发射比率的概念,当声发射比率大于1时,表明煤样即将发生破坏。声发射比率可作为预测现场工程煤体失稳的重要指标。     

高陡层状土质边坡风蚀失稳过程及机理研究

吐鲁番交河故城台地高陡层状土质边坡的失稳过程受风蚀控制和影响非常典型; 在土层组合特征和抗风蚀能力差异以及当地终年多大风的气候特征的共同作用下,坡体土层形成风蚀空腔并在空腔的控制下发生变形破坏。以工程地质定性分析、风洞实验、物理模拟为主要手段,结合数值模拟,分析了该边坡在自然风蚀改造过程中表现出具有特殊性、多样性和阶段性特征的失稳过程,验证了边坡风蚀空腔形成与发展的存在性,揭示了边坡在风蚀失稳过程中的客观存在的差异风蚀和外挑块体变形破坏机理,为防治和监测此类边坡的变形破坏提供了有益的参考。     

鄂西北山区降雨型边坡失稳模式和评价方法

2003年6月的一次连续降雨诱发了鄂西北山区郧漫公路沿线多处边坡失稳。根据边坡岩土体的组成和结构特征,总结出了5种典型的暴雨型边坡失稳模式：浅层堆积体滑移、含软弱面顺层滑移、切层边坡水压劈裂破坏、碎裂岩似弧形追踪破坏和块裂岩楔体滑移。根据边坡破坏特点和降雨作用形式提出了相应的评价方法,认为浅层堆积体在暴雨下含水量,即85%~100%液限含水量时易发生滑移,通过平面无限斜坡评价法计算边坡稳定性;含软弱面顺层边坡及块裂楔形体均为剪切滑移失稳,采用简化的刚体极限平衡法计算其稳定性;切层边坡中陡倾裂缝经历了卸荷张开－水压开裂－贯通破坏的过程,通过Ⅰ型裂缝扩展判据评价边坡稳定性;碎裂岩边坡发生类似弧形滑移的追踪破坏,采用连续介质圆弧法计算边坡稳定性。     

薄壳失稳机理浅析

对薄壳失稳问题研究的理论与实验成果进行了总结和讨论，对薄壳后屈曲理论研究结果提出了不同的看法，同时应用动力学原理对薄壳失稳问题进行了探讨，并建立了计算模型。文中应用动力学原理描述了从加载初期的一个呈现静力学特征的薄壳随荷载的增加而逐渐成为一个呈现动力学特征的薄壳的过程，从薄壳受扰振动乃至共振的角度解释了失稳临界荷载实验数据值及其离散并低于失稳临界荷载理论值的原因。     

缓倾外层状结构边坡变形破坏模式及支护对策研究

高速公路开挖形成越来越多的工程边坡。缓倾外层状结构边坡作为一种典型的岩质边坡,一般情况下整体稳定性较好,但在特定的结构面组合状况下,开挖后也可能产生整体变形破坏。本文以软弱结构面和长大裂隙发育的公路工程边坡为例,通过岩体结构及边坡一定范围内已有边坡破坏现象的调查研究,采用工程地质类比和三维离散元法综合分析边坡变形破坏模式,并针对变形破坏模式的特点,提出支护对策。研究结果表明,结构面贯通坡体形成切割块体的后缘和侧缘边界时,缓倾外层状结构边坡可沿层面产生滑移-拉裂变形,若滑面与临空面具有一定夹角,边坡的变形可表现为旋转式滑移-拉裂;结构面组合控制的缓倾外层状结构岩质边坡稳定性受坡体中下部的关键块体控制,一旦关键块体失稳,将引起上部块体的连锁失稳,此类边坡变形控制的重点是对关键块体分布区域进行强支护;支护工程实施后的变形监测结果表明,基于变形破坏模式分析的边坡支护方案保证了边坡施工和运营过程中的安全。     

铝蜂窝结构单向压缩、失稳和破坏机制研究

采用结构代表胞元模型数值模拟了在没相对密度范围的单型铝蜂窝结构在单向压缩过程中的变形、失稳和破坏现象。我们推广了转角刚度方法,并结合数值模拟结果分析了结构失稳和破坏的三种不同特征及相应 拗观力学机制,计算了结构代表胞元开始失稳分岔时的宏观应力σT,其值与有限元数值计算和实验得到的结构宏观极限应力σu一致吻合。     

基于PFC~(3D)的砂土直剪模拟及宏细观分析

为能更好地分析砂土在剪切过程中的体积变化及力学行为,通过PFC~(3D)颗粒流程序,按照室内实际级配建立数值试样,进行了不同垂直压力下的砂土直剪试验模拟,并将模拟结果与室内试验结果进行了对比;研究了砂土在剪切过程中的体积变化,并用两种方法分析了砂土剪切带的演变过程;从细观角度对试样颗粒的速度场及力链网络的发展变化进行了分析研究。结果表明,数值模拟结果与室内试验结果基本一致,砂土的体积变化表现为先剪缩后剪胀,剪胀量与垂直压力成反比;剪切带厚度约为11～12倍d_(50),在剪切带内颗粒的位移和欧拉角变化较大;试样内部强力链的演变较为明显,力链网络对外荷载变化的敏感性很高;剪切过程中上盒颗粒速度场方向的变化能够较好地解释砂土产生的剪胀现象。     

Automatic extraction method of force chain information and its application in the flow photoelastic experiment of granular matter

The force chain is the core of the multi-scale analysis of granular matter. Accurately extracting the force chain information among particles is of great significance to the study of particle mechanics and geological hazards caused by particle flow. However, in the photoelastic experiment, the precise identification of the branching points of force chains has not been effectively realized. Therefore, this study proposes an automatic extraction method of force chain key information. First, based on the Hough transform and the Euclidean distance, a particle geometric information identification model is established and geometric information such as particle circle center coordinates, radius, contact point location, and contact angle is extracted. Then, a particle contact force information identification model is established following the color gradient mean square method. The model realizes the rapid calibration and extraction of a large number of particle media contact force information. Next, combined with the force chain composition criterion and its quasilinear feature, an automatic extraction method of force chain information is established, which solves the problem of the accurate identification of the force chain branch points. Finally, in the photoelastic experiment of ore drawing from a single drawpoint, the automatic extraction method of force chain information is verified. The results show that the macroscopic distribution of force chains during ore drawing from a single drawpoint is left–right symmetrical. Strong force chains are mostly located on the two sides of the model but in small numbers and they mainly develop vertically. Additionally, the ends are mostly in a combination of Y and inverted Y shapes, while the middle is mostly quasilinear. Weak force chains are abundant and mostly distributed in the middle of the model, and develop in different directions. The proposed extraction method accurately extracts the force chain network from the photoelastic experiment images and dynamically characterizes the force chains of granular matter, which has significant advantages in particle geometry information extraction, force chain branch point discrimination, force chain retrieval, and force chain distribution and its azimuthal characterization. The results provide a scientific basis for studying the macroscopic and microscopic mechanical parameters of granular matter.     

均匀水流冲击下扭王字块断裂失稳过程的数值模拟研究

扭王字块是一种重要的港口防波堤护面块体,其断裂失稳过程与所受水流冲击力密切相关。文章以基于连续介质力学的离散元方法(CDEM)为基础,通过引入FVM算法及半弹簧-半棱联合接触模型,分别实现了大位移下单元变形的准确计算及单元接触的快速更新。基于改进后的CDEM方法,通过在扭王字块表面施加按流速方向逐渐增加的动态面力,对均匀水流冲击下单扭王字块的断裂过程及扭王字块群的失稳滑移过程进行了数值分析。通过分析,不同方向水流冲击下单扭王字块的主要断裂模式为沿着根部的折断,其断裂流速约为21~25m/s;不同吨位下扭王字块群的失稳模式为扭王字块单体从群体中跳出,其失稳流速约为4~11m/s。     

冲击载荷下颗粒材料临边界区域的波动行为及变形特征分析

研究颗粒材料中的波传播问题在超材料制造方面有重要意义, 如波传导超材料边界的设计需考虑应力波的反射和吸收等问题. 本文从一维颗粒链中的波传播行为出发, 根据距边界不同位置处颗粒能够得到的最大动能的不同, 给出了临边界区域的定义. 然后分析了多组二维颗粒样本在冲击载荷作用下应力波的传播行为, 主要考虑了不同边界形状及不同颗粒排列方式对应力波在临边界区域内传播行为的影响. 研究表明, 临边界区颗粒排列方式主要影响边界附近颗粒的相对位置和局部孔隙率; 经边界反射后的应力波直接以边界形状在临边界区内传播, 该结论在边界情况越复杂(高局部孔隙率, 颗粒无序随机排列)时越准确; 在临边界区域外(即材料中心区域), 波前形状主要由波速决定. 弧形边界对波反射的汇聚作用和临边界区域内颗粒的排列方式所引起的弥散作用是两个竞争因素, 共同决定临边界区域内波的反射过程. 最后分析了临边界区域内颗粒力链网络在反射前后的变化. 该研究将为超材料设计提供借鉴.      

横向载荷作用下轴向运动梁的屈曲失稳以及非线性振动特性

梁的轴向运动会诱发其产生横向振动并可能导致屈曲失稳,对结构的安全性和可靠性产生重大的影响。本文重点研究了横向载荷作用下轴向运动梁的屈曲失稳及横向非线性振动特性。基于Hamilton变分原理,建立了横向载荷作用下轴向运动梁的动力学方程,获得了梁的后屈曲构型。使用截断Galerkin法,将控制方程改写成Duffing方程的形式。用同伦分析方法确定载荷作用下轴向运动梁的非线性受迫振动的封闭形式的表达式。结果表明,后屈曲构型对轴向速度和初始轴向应力有明显的依赖性。通过同伦分析法得出非线性基频的显式表达式,获得了初始轴向力会影响非线性频率随初始振幅和轴向速度的线性关系。另外,轴向外激励的方向也会改变系统固有频率。     

离散元法铁粉末压制中粒径分布对力链演化机制的影响

为阐明粒径分布对铁粉压制中体系内部细观力学行为的影响, 基于离散元理论, 通过改变铁粉颗粒粒径分布建立压制模型, 结合力链提取方法, 通过对力链空间分布、力链数目、力链长度和力链方向性的分析, 探究粒径分布对力链演化的影响机理. 研究结果表明: 不同粒径分布的粉体压制时形成的力链空间分布具有差异, 粒径分布范围越小, 形成的力链分布越集中, 反之, 粒径分布范围越大, 形成的力链分布越松散且均匀; 在粉末压制时, 粒径分布对力链数目也有影响, 具体表现为随着粉体的粒径分布范围变大, 力链总数逐渐减少; 粉体的粒径分布对颗粒形成短力链的数目起着显著影响, 而对力链长度的影响较为有限; 随着粒径分布范围的增大, 力链的方向由均匀分布逐渐集中在特定角度方向, 表现出一定各向异性, 形成的交叉力链网络结构有利于提高粉体致密化程度. 本文为从粉体粒径分布影响层面拓展粉末压制细观力学理论提供基础, 亦为进一步结合粉体粒径分布及体系内力链演变过程改善粉末致密化行为提供指导.      

EFFECT OF INTERGRANULAR FRICTION ON THE BOTTOM FORCE CHAIN OF TWO-DIMENSIONAL PARTICLE PILES WITH POINT DEFECTS1)

力链对颗粒物质的宏观与微观力学性质起着决定性的作用。在离散元法的基础上,建立二维规则排列的颗粒物质系统,分别研究无缺陷颗粒系统在集中载荷变化与有缺陷颗粒系统在缺陷区域改变时,粒间摩擦系数对颗粒系统底部接触力分布规律的影响。结果表明：在无缺陷颗粒系统中,颗粒系统底部接触力的分布形式受摩擦系数和集中载荷的大小影响。随摩擦系数的增大,底部接触力由双峰形式经平台过渡,逐渐向单峰形式转变。在有缺陷颗粒系统中,摩擦系数和缺陷尺寸对底部接触力分布均有影响。同种载荷作用下,随缺陷尺寸的增大,底部接触力峰值显著增大;底部平均力被明显削弱,力向边界的传递增强。系统中轴线上缺陷的存在使底部中间区域受力削弱,当缺陷尺寸超过2 层以上时,底部中间力随摩擦系数的变化特征由递增曲线演变为线形衰减曲线。     

Dynamic instability of truncated conical shells under periodic axial load

Based on the Dynamic version of Donnell type basic equations neglecting bending deformations before instability, the parametric instability of truncated conical shells subjected to periodic axial load is studied under four different boundary conditions. Applying Galerkin's method, the basic equations are reduced to a system of coupled Mathieu equations, from which the instability regions are determined by using Hsu's results. As a numerical example, instability regions for a completely clamped shell are determined for relatively wide range of frequencies. The effects of static axial load as well as damping force on the instability regions are also examined.     

基于水平集-离散元方法的球谐函数颗粒材料缓冲性能分析

在自然环境与工业领域中,颗粒材料是一种常见的缓冲材料,其中大量形态各异的非球形颗粒表现出复杂的力学特性并应用于不同工程领域。本文采用球谐函数构造不同球面度和表面凹凸特性的非规则颗粒,通过水平集方法计算球谐函数颗粒间的接触点和碰撞力,并对冲击过程中球形和凹形颗粒的缓冲性能进行离散元分析。数值结果表明,颗粒床厚度、冲击速度和颗粒形状显著影响球谐函数颗粒材料的缓冲性能。颗粒床底部的冲击力峰值随着颗粒床厚度和表面凹凸性的增加而降低,同时冲击力峰值随着冲击速度和颗粒球面度的增加而增加。与球形颗粒相比,球谐函数颗粒具有凹凸表面和多接触点特性,这有利于冲击荷载向四周扩展并提高凹形颗粒的缓冲效果。