冲击载荷作用下岩体破坏规律的数值流形方法模拟研究

为了更好地模拟岩体这种典型的连续与非连续介质共存的复杂结构体在冲击载荷作用下的破坏规律,在近年来新出现的数值流形方法基本理论的基础上,利用其算法程序对岩体中存在的不连续面如节理、裂隙等对岩体破裂效果的影响进行了数值模拟分析,计算结果充分显示了数值流形方法在模拟这类问题中的准确性和有效性。     

冲击载荷作用下路面结构的沉降及破坏特征

随着公路在导弹的无依托随机发射中扮演更加重要的角色，研究发射期间其在发射筒冲击载荷作用下的沉降及破坏特征对提高我国武器威慑力具有重要意义。选择低等级道路结构为研究对象，基于河南省、山东省、云南省及广东省的低等级道路统计信息，建立典型低等级道路结构的1/4简化计算模型，采用一种基于有限元和离散元耦合的显式数值分析方法CDEM，并引入塑性-局部化-破裂耦合的本构模型，实现冲击载荷作用下路面沉降的三维全时程模拟，显式地展现裂纹萌生和扩展过程，实现路面结构从连续状态到非连续状态的过渡。通过与落锤弯沉仪试验的监测结果对比验证道路简化模型的正确性及CDEM的计算精度，随后各选取一个沥青混凝土和水泥混凝土道路结构进行数值模拟，并从沉降量、破裂度、破坏特征等方面分析。计算结果表明:沉降量时程曲线与冲击载荷时程曲线变化趋势一致，沉降量在冲击载荷峰值点处达到最大值；破裂面主要产生于冲击载荷急剧增大时期，约占最终全部破裂面积的97%；破裂面大体分为路面结构层内的竖向破裂面和层间的水平破裂面，破坏类型包括拉伸破坏与剪切破坏；路面结构上部易产生环状破裂面，下部易产生径向破裂面。     

DEM与FEM动态耦合算法研究

离散单元法作为一种有效的数值分析方法,能够模拟脆性材料的裂纹扩展及碎片飞散等破坏特性,但是无法从根本上克服计算效率低下的诟病;传统有限单元法具有计算高效稳定的优点,却难以描述脆性材料冲击破坏过程中连续体向非连续体的转化。本文首先提出一种基于罚函数法的改进型离散单元和有限单元耦合方法,以提高耦合分析精度。在此基础上提出了动态耦合算法:即在初始阶段,模型全部为有限单元,当局部即将发生破坏时,仅使即将发生破坏的有限单元及相邻单元自动转化为离散单元,在离散单元区域研究破坏问题。这种算法充分利用有限单元法计算高效的优点,同时最大限度克服了离散单元法计算效率的不足。最后,通过两个简单算例验证了改进型耦合算法和动态耦合算法的有效性。     

岩石双孔爆破过程的流形元法模拟

在流形元基本理论基础上,引入断裂力学的裂纹产生及扩展判据,应用二阶流形元对岩石双孔爆破过程进行了研究,模拟了双孔同时起爆和毫秒延时起爆两种条件下裂纹的产生和扩展、块体的形成以及漏斗形成过程,分析了爆炸载荷作用下岩石的破坏规律以及起爆条件对该过程的影响,验证了流形元法在研究冲击载荷作用下岩石从连续体到不连续体破坏过程的准确性和有效性,为研究类似问题提供一个新的思路和方法。     

基于内动力的对径压缩岩石拉张破裂演化规律研究

岩石是一种复杂的天然非均匀脆性材料，拉压性能差距较大，拉破坏往往控制着岩石工程整体的稳定性.论文将岩石内部某一点在一定尺度范围内所受内力的差异性定义为内动力，进行了对径压缩岩石拉张破裂裂纹扩展实验.采用高速摄像机捕捉破裂瞬时拉张裂纹扩展过程并用数字散斑软件分析第一主应变演化过程.采用连续-非连续方法模拟对径压缩岩石拉张裂纹扩展过程.从实验结果可以看出：拉张破裂裂纹扩展分为三个阶段：拉张破裂变形累计阶段(宏观无裂纹)、拉张破裂裂纹稳定扩展阶段、拉张破裂裂纹动态张裂阶段.将实验、数值计算结果与解析解进行对比分析，实验与数值计算结果扩展规律基本一致，但是与弹性力学解析解不同.解析解基于均匀性假设，而外载荷及岩石本身是非均匀的.外载荷及岩石本身的非均匀性是裂纹起裂点、扩展路径与解析解不相同的主要原因.综合分析给出拉张破裂裂纹扩展规律：当外载荷作用下内动力超过原子或分子连接力则裂纹扩展，扩展方向与内动力的方向垂直.岩石拉张破裂裂纹扩展演化规律的研究可为岩石工程拉张破坏的预防和控制提供理论依据.     

模拟岩石材料脆性破裂过程的三维离散元模型

发展一种能够模拟岩石材料脆性破裂过程的三维不规则、可变形块体离散元模型.一方面,在裂纹扩展过程中动态地将潜在破坏的连续块体沿潜在破坏方向细化为若干子块体,并在子块体之间的界面上设置连接型弹簧;另一方面,连接型弹簧在满足张拉-剪切复合破坏准则时发生脆性破裂,转变为接触型弹簧,实现材料由连续到非连续的破裂.借助动态松弛技术完成求解,通过计算实例验证该方法的适用性.     

岩石巴西圆盘动态劈裂的流形元法模拟

利用二阶流形元法,通过引入裂纹产生与扩展判据,对冲击载荷作用下岩石平台巴西圆盘的动态拉伸劈裂过程进行了数值模拟,再现拉伸波作用下圆盘被劈裂的过程。模拟现象与实验结果相符,动态平衡时的应力分布与有限元结果基本一致。从而验证了流形元在模拟冲击载荷作用下材料动态破坏过程的有效性和可行性。     

岩石材料动态破坏的近场动力学方法数值模拟

裂纹的聚集、扩展、分叉是岩石等脆性材料破坏失效的关键因素，本文在验证了近场动力学方法在研究岩石类材料裂纹动态扩展方面的有效性之后，采用近场动力学方法分别对冲击载荷作用下含有双裂纹岩石材料和单轴压缩作用下含单斜裂纹的岩石材料进行数值模拟．结果表明，对于双垂直裂纹，其裂纹扩展路径大致与预制裂纹成70°夹角；对于单裂纹，裂纹的扩展路径随裂纹倾角的变化而变化，最终导致构件的整体破坏．数值模拟结果表明近场动力学方法可以很好地模拟岩石等脆性材料的裂纹扩展直至破坏的过程，反映裂纹扩展的物理机理；其作为一种新的基于非局部理论的数值方法，在地下岩体工程方面及页岩气的开采方面会有很好的发展前景．     

水中爆炸冲击波载荷作用下舰船结构动态响应的数值模拟

采用大型通用有限元软件MSC.DYTRAN,对某型水面舰船全船结构在水下爆炸冲击波载荷作用下的动态响应进行了数值模拟。分别从结构的变形损伤形式、能量吸收和冲击环境等几个方面研究了舰船结构在水下爆炸载荷作用下的破坏机理和响应特征。     

爆炸荷载下岩石破坏的数值流形方法模拟

为了更好地利用数值流形方法对动力学问题进行分析,在对原数值流形方法中的动力学问题求解思想进行分析的基础上,采用动力有限元方法中的Newmark法对该算法进行了改进。改进后的数值流形方法与原来相比具有三个明显的优势:（1）当选择合适的参数后,该方法能够保证解的无条件收敛;（2）可以采用比原算法大得多的时间步长;（3）充分考虑了动力学问题中的阻尼效应。最后通过一个算例说明了改进后的数值流形方法能够很好地模拟岩石在冲击载荷作用下破坏的全过程,克服了有限元法不能模拟岩石破坏后块体运动情况的不足。     

A damage model with evolving nonlocal interactions

We present a damage model for softening materials with evolving nonlocal interactions. The thermodynamic implications and the material stability issue are addressed. The proposed nonlocal averaging scheme provides the obtained constitutive models with an evolving nonlocal interaction which is activated only when damage occurs. In the analysis of structures made of quasi-brittle materials, this feature helps not only to overcome some issues with the incorrect initiation of damage but also to better control the evolving size of the active fracture process zone. This is an essential feature that is usually not considered in depth in many existing nonlocal approaches to the continuum modelling of quasi-brittle fracture. Numerical examples are given to demonstrate features of the proposed modelling approach.     

Non-homogeneous displacement jumps in strong embedded discontinuities

In this paper, strong discontinuities are embedded in finite elements to describe fracture in quasi-brittle materials. A new numerical formulation is introduced in which the displacement jumps do not need to be homogeneous within each finite element. Both the crack path and the displacement jumps are continuous across element boundaries. This formulation is compared with the discrete approach, in which interface elements are inserted to model the discontinuities, as well as with other embedded discontinuity approaches and with the partition of unity method. Numerical results have been obtained with relatively coarse meshes, which compare well with experimental results and with the results obtained from analyzes with interface elements.     

FINITE DEFORMATION ELASTO-PLASTIC THEORY AND CONSISTENT ALGORITHM

By using the logarithmic strain, the finite deformation plastic theory, corresponding to the infinitestimal plastic theory, is established successively. The plastic consistent algorithm with first order accuracy for the finite element method (FEM) is developed. Numerical examples are presented to illustrate the validity of the theory and effectiveness of the algorithm. Project supported by the National Natural Science Foundation of China (No. 19772973).     

采用新型损伤指示因子和结构优化方法的单元损伤识别

在一种新型的损伤指示因子的基础上,采用最小二乘法建立损伤识别问题的优化模型,通过模态综合方法计算结构模态的灵敏度,采用半解析法计算指示因子对损伤参数的灵敏度,最终由序列线性规划方法求解优化问题。数值算例验证了本文方法的可行性。     

FINITE ELEMENT MODELLING OF COMPLEX 3D STATIC AND DYNAMIC CRACK PROPAGATION BY EMBEDDING COHESIVE ELEMENTS IN ABAQUS

<正>This study proposes an algorithm of embedding cohesive elements in Abaqus and develops the computer code to model 3D complex crack propagation in quasi-brittle materials in a relatively easy and efficient manner.The cohesive elements with softening traction-separation relations and damage initiation and evolution laws are embedded between solid elements in regions of interest in the initial mesh to model potential cracks.The initial mesh can consist of tetrahedrons,wedges,bricks or a mixture of these elements.Neither remeshing nor objective crack propagation criteria are needed.Four examples of concrete specimens,including a wedge-splitting test,a notched beam under torsion,a pull-out test of an anchored cylinder and a notched beam under impact,were modelled and analysed.The simulated crack propagation processes and load-displacement curves agreed well with test results or other numerical simulations for all the examples using initial meshes with reasonable densities.Making use of Abaqus's rich pre/post-processing functionalities and powerful standard/explicit solvers,the developed method offers a practical tool for engineering analysts to model complex 3D fracture problems.     

用于准脆性材料破坏过程数值模拟的虚拟连接单元法

将有限变形单元与虚拟连接单元相结合,用于模拟准脆性材料破坏过程.首先基于精确的有限变形理论,采用第二类Piola-Kirchhoff应力与Green-Lagrange应变作为能量共轭的应力、应变对,推导出虚拟连接单元的单元刚度矩阵;通过数值算例,验证该单元的正确性与合理性,给出虚拟连接单元高度的取值范围,并与无此单元时...     

RTM充模过程数值模拟的隐式有限元算法

建立了基于欧拉方法描述树脂传递模塑(RTM)工艺充模过程的基本数学方程,并采用有限元隐式时间积分方法对基本方程进行了数值求解．编制了基于隐式有限元算法及传统有限元控制体算法的程序,通过具体算例比较了这两种算法的优缺点．与传统的有限元控制体法相比,该文提出的隐式有限元算法能节省计算时间,特别适合于单元、节点数目多的情况．隐式有限元算法是一种纯有限元方法,不需要使用控制体积技术,采用该算法计算出的流动前沿与时间步长无关。     

随机有限元分析的二级区域分解并行求解算法

采用蒙特卡罗模拟(MCS)和加权积分法对二维问题进行随机有限元分析。尽管MCS方法对任何有确定解的问题都具有求解精度高的优点,但由于求解所需的计算量巨大使其应用受到限制。利用并行求解技术可有效地处理这种密集型计算问题。基于有限元分裂对接法(FETI)的并行特性并利用预处理共轭梯度法(PCG)的求解高效性,结合整体子区域实现(GSI-PCG)和FETI法,提出二级求解算法,并在工作站机群上实现了数值算例。算例计算结果表明本文GSI(PCG)-FETI算法具有较高的并行加速比和并行效率,具有良好的性能,可有效地进行二维问题的随机有限元分析。     

Shape Identification for Fluid-Structure Interaction Problem Using Improved Bubble Element

Numerical solutions for identification of the shape of a circular cylinder are addressed in this paper. The Sakawa-Shindo method is used to minimize the algorithm. A unified computational approach for simulation of flow and shape identification is presented. As a numerical approach for spatial discretization, mixed interpolation by the bubble and linear elements is used for the velocity and pressure fields, respectively.     

考虑声辐射特性的结构优化设计

传统的结构动力优化设计没有考虑声辐射特性,而随着人们对环境舒适度要求的提高,降低声辐射水平成为人们越来越关心的问题。本文首先给出了用有限元方法计算结构动力响应,边界元法计算结构声辐射特性的方程,在此基础上重点建立了结构声辐射优化设计模型,同时用序列二次规划算法进行了优化求解。在JIFEX软件中实现了上述理论和算法,并通过优化设计的数值算例,进一步说明了本文的研究方法能够有效的降低结构声辐射水平。