结构与土接触面的弹黏塑性本构模型

基于Goodman接触面单元,在Clough--Duncan双曲线关系式的基础上改进了三元件宾厄姆体,建立了结构与土接触面的弹黏塑本构模型,使用ABAQUS的FRIC子程序对该模型进行了二次开发.通过改装的应力控制式结构-土接触面剪切试验仪进行了接触面长期剪切试验,验证了该接触面本构模型.研究结果表明:结构与土接触面的弹黏塑本构模型能较好地模拟接触面的力学特性和时间效应;正应力对结构与土接触面的力学行为影响较大,正应力越大,接触面的时间效应越显著.     

坝前淤泥土与新填坝体接触面抗剪强度试验研究及工程应用

坝前淤泥面与新填筑坝体接触面是"坝前淤泥面加坝"技术的薄弱环节。为了探究不同工况下淤泥坝基、新填筑坝体,以及淤泥土-新填土接触面的剪切强度特性,以宁夏南部山区西吉县南川水库坝前淤泥面加坝工程为研究对象,通过常规应变式直剪仪、改进常规应变式直剪仪分别进行剪切试验,分析了淤泥土含水率和压实度变化时,淤泥土、新填土、淤泥土-新填土接触界面的抗剪强度、黏聚力、内摩擦角的变化规律。试验结果表明:新填土抗剪强度最大,不同工况下淤泥土-新填土接触界面的抗剪强度介于淤泥土和新填土的抗剪强度之间;淤泥土含水率在12%~16%之间存在最优含水率,超过该含水率后,淤泥土及淤泥土-新填土接触界面之间的抗剪强度均显著降低;当淤泥土含水率从8%增加至12%、16%时,黏聚力减小8%左右后迅速减小至22%,具有明显的阶段性,而淤泥土-新填土接触界面的黏聚力呈现先增加后减小的趋势;当含水率相同时,随着压实度的增加,淤泥土、淤泥土-新填土接触面的黏聚力、内摩擦角总体呈增大趋势。最后根据试验结果对"坝前淤泥面加坝"工法的工程应用提出了相关建议。     

粗粒土与结构接触面受载过程中的损伤

进行了粗粒上与结构接触面单调和循环加载试验,基于宏细观测量结果,扩展了损伤概念以描述该类接触面在受载过程中的物态演化,及由于物态演化导致的力学特性从初始状态到最终稳定状态的连续变化过程.揭示了接触面损伤的细观物理基础主要是接触面内土的颗牲破碎和剪切压密这两种物态演化;指出接触面的剪胀体应变可以划分为可逆性和不可逆性剪胀体应变两部分,其中不可逆性剪胀体应变可作为接触面损伤发展的宏观量度,因此其归一化形式可作为一种损伤因子的定义;提出了建立粗粒土与结构接触面一种损伤本构关系的基本思路.     

含天然气水合物土微观力学特性研究进展

天然气水合物作为一种资源储量大、分布范围广、能量密度高的清洁能源, 受到了国内外的广泛关注, 竞相研究安全高效、持续可控的开采方法. 充分掌握含天然气水合物土的力学特性并厘清其在开采过程中的动态演化规律, 是实现天然气水合物资源产业化开发的重要前提. 含天然气水合物土的力学响应行为本质上是其内部结构演化的宏观反映, 相关的微观力学特性研究对于深化含天然气水合物土力学特性认识具有重要的意义. 本文从天然气水合物晶体、天然气水合物与土颗粒界面、含天然气水合物土3个尺度对含天然气水合物土微观力学特性的研究现状进行了总结, 系统归纳了天然气水合物的晶体结构类型及天然气水合物的孔隙微观赋存模式; 重点介绍了计算机断层扫描、扫描电子显微镜、X射线衍射及原子力显微镜等微观测试技术原理与特点; 简述了与计算机断层扫描联用的三轴剪切实验、颗粒流程序模拟及分子动力学模拟在天然气水合物微观力学特性研究方面的最新进展; 综合现有研究结果对含天然气水合物土内颗粒界面剪切机理及微观力学理论模型进行了概述分析; 最后探讨了含天然气水合物土微观力学研究目前仍存在的不足与挑战, 并给出了针对性的建议以期促进含天然气水合物土的力学特性研究发展.      

含随机参数的非线性黏弹性有限元计算

进行了粗粒土与结构接触面单调和循环加载试验，基于宏细观测量结果, 扩展了 损伤概念以 描述该类接触面在受载过程中的物态演化, 及由于物态演化导致的力学特性从初始状态到最终 稳定状态的连续变化过程. 揭示了接触面损伤的细观物理基础主要是接触面内土的颗粒破碎 和剪切压密这两种物态演化；指出接触面的剪胀体应变可以划分为可逆性和不可逆性剪胀体 应变两部分，其中不可逆性剪胀体应变可作为接触面损伤发展的宏观量度，因此其归一化 形式可作为一种损伤因子的定义；提出了建立粗粒土与结构接触面一种损伤本构关系的基本思路.     

桩-土接触效应及对桥梁结构地震反应的影响

目前有关涉及桥梁桩基础地震反应的研究大多是基于桩与桩侧土体之间无相对滑动、位移保持协调的假定。本文针对地震作用下桥梁桩基础的接触面效应及其对结构地震反应的影响问题，以某桥梁工程为背景，通过在桩-土交界面处设置接触单元来模拟桩-土间的接触非线性，建立了土-桩-桥梁结构相互作用体系的三维分析模型。利用这一模型，分析了地震作用下桩-土交界面处的动力反应形态，探讨了桩-土间的接触非线性及其对桥梁结构地震反应的影响。初步分析结果表明：在强震作用下，桩-土间会产生较强的接触非线性，在本文模型中，这种非线性主要表现为桩-土交界面处的滑移；考虑桩-土间的接触面效应将使结构的位移反应结果较基于桩-土间位移协调的情形有所增大。     

混凝土三维细观接触面模型数值模拟与CT试验验证

对混凝土三维随机骨料模型进行了改进,在骨料和砂浆之间加入了"面-面接触单元"模拟两者的接触特性,编制了相应的命令程序,称新模型为混凝土接触面模型.采用双折线损伤演化模型进行计算,对数值模拟结果进行了分析研究.从混凝土破坏过程图和荷载-位移曲线图两方面与CT试验结果进行了比较,表明试件破坏时裂纹的萌生、扩展过程与CT试验...     

离散型织构表面液滴的铺展及其接触线的力学特性分析

针对离散型织构表面上液滴的铺展过程,采用数值模拟和润湿性实验相结合的方法,引入织构润湿因子θ*,得到了不同类型的离散型织构对固体表面润湿性的影响,在此基础之上分析了液滴铺展过程中接触线的力学特性,以期从微观界面力学的角度解释微织构对液滴铺展过程的促进作用.研究表明:离散型织构增大了液滴铺展过程中的固-液接触面积,位于铺展前沿的液体分子部分浸润织构内部,导致液面曲率和液滴内部的拉普拉斯压力增大,相邻离散型织构间的液体获得了额外的驱动力和能量,铺展速度加快,平衡接触角减小;槽状离散型织构对表面润湿性的影响程度最大,液滴在其上铺展过程具有各向异性特性.另外数值仿真分析表明,接触线的钉扎效应与固体表面粗糙度的大小和微织构类型密切相关,表面粗糙度越大,钉扎效应越明显,其中槽状织构对接触线的钉扎作用还具有方向性.     

柠条、沙柳根与土及土与土界面摩擦特性

通过直剪试验研究了垂直荷载、土体干密度、土体含水率对柠条根-土界面、沙柳根-土界面以及土-土界面摩擦特性的影响.结果表明:柠条根-土界面、沙柳根-土界面与土-土界面的剪切特性相似,均服从莫尔-库仑理论;柠条根-土界面、沙柳根-土界面的摩擦系数随着土体干密度的增大而增大;土壤含水率对柠条根-土界面、沙柳根-土界面摩擦系数和黏聚力的影响与素土相同,三者的摩擦系数随含水率增加逐渐减小,而黏聚力随着含水率增大呈先增大后减少的变化.在自然生境下主要根系分布层,柠条、沙柳的根-土界面摩擦系数大于土-土界面,尽管根-土界面黏聚力小于土-土界面黏聚力,但是根-土界面的摩擦系数的增大仍使根-土界面抗剪强度大于土-土界面,说明根-土结合面抵抗位移的能力大于土-土界面;2种植物相比,柠条根系抵抗根-土分离的能力优于沙柳.     

基于分子动力学-格林函数法的微凸体接触数值分析

表面接触是摩擦的先决条件,其真实接触面积、压应力大小、空间分布等一直是接触力学关注的核心问题.采用分子动力学-格林函数法(GFMD)模拟粗糙面的接触过程,验证了其在大规模接触分析中的高效及准确性,同时探讨了由微球体组成的粗糙面的接触力学特性,并分析了分子尺度下的结果和传统力学模型计算结果的差异.结果表明,单个微凸体接触结果和分子动力学-格林函数法模拟所得非常接近,误差在5%以内.数值模拟发现,在微凸体高度符合高斯分布的情况下,接触面积和接触力成线性关系;在相同接触面积下,微凸体模型得出的接触力偏高,是上限值.微凸体模型没有考虑微凸体间的相互影响,实际是高估了弹性体的刚度;实际接触过程中微凸体相互影响,微凸体对临域形变影响尤其大,使接触区域更加离散.GFMD模型可以准确计算数十亿量级别分子、原子接触过程中真实接触面积及分布,为后续摩擦、滑移等分析提供可靠的参考.     

一种三维饱和土-基础-结构动力相互作用分析方法

地震波入射时土与结构动力相互作用分析是地震工程领域的重要问题.由于问题的复杂性,以往的研究大多考虑地基土为干土情形.而实际工程中,土体中经常充满孔隙水,土层往往是含水层或部分含水层.孔隙水对土层的地震反应影响较大,进而影响支撑于其上的基础和上部结构的响应.因此,有必要考虑饱和土-基础-结构动力相互作用问题.基于此,土体采用Biot模型,利用集中质量显式有限元方法并结合多次透射人工边界进行模拟;结构经有限元离散后,采用Newmark隐式时步积分方法进行分析,可通过ANSYS等有限元软件实现;基础假定为刚性,采用显式时步积分进行求解;土体和结构(及基础)可分别采用不同的时间步距;通过FORTRAN程序实现了三维饱和土-基础-结构系统在地震作用下的整体分析.从饱和多孔介质动力微分方程出发可知,干土是饱和土的特殊情形,通过将流体体积模量及孔隙率置为零,可将饱和土退化到干土,从而将干土统一到饱和土的计算框架中,通过土-结构相互作用算例对此进行了验证,进一步实现了干土与饱和土混合情形时的土-结构动力相互作用分析,使得问题的模拟更贴近实际工程(如考虑地下水位情形).通过算例对比了饱和土地基、干土地基、干土覆盖饱和土地基(考虑地下水位)情形时,土-结构相互作用对基础和结构响应的影响,结果表明地下水位对基础和结构响应的影响较大.     

以DIASS程序为基础的饱和土与防护结构相互作用动力分析研究

介绍了新开发的防护结构动力有限元分析程序DIASS系统。该系统装有空爆冲击波荷载数值自动生成器,并可将基础土壤模拟为饱和多孔介质模型,采取多重子结构技术进行结构与土体相互作用的动力分析。文中利用该程序系统进行数值试验,给出若干初步结论。     

土石混合体的研究现状及研究展望

土石混合体是不同于岩体与土体的一种地质材料,其物理力学特性的研究越来越受到工程界关注。本文首先介绍了土石混合体概念的提出,并以土石混合体在我国的广泛分布特点与工程中的诸多实际问题阐述了其研究具有重要的工程价值与理论意义。另一方面,通过大量与土石混合体相关的文献检索与分析,本文从力学试验、几何结构研究和数值模拟等不同方面总结了近年来土石混合体研究的成果,指出结构效应是土石混合体重要而又特有的一个特征,其几何结构模型与数值模拟的研究也取得了许多重要而有价值的成果。最后,针对土石混合体研究中仍存在的不足,本文展望并探讨了土石混合体今后的研究方向,提出了地质成因与物质组成结构特征、水与土石混合体的耦合作用、土石混合体三维数值模拟研究、以及土石混合体力学参数快速确定方法等4个方面的研究内容与研究思路。     

粘接-映射混合算法及其对颗粒材料中板的振动特性分析

结构与颗粒材料相互作用广泛存在于各工程领域,其研究过程中涉及的连续-离散耦合计算方法面对诸多挑战.本文提出了粘接-映射混合算法来研究连续体与离散介质耦合动力学问题.将连续体模型划分为内部区域及与颗粒接触的边界区域.边界区域采用粘接算法模拟连续体外部形状并使用高效的球形接触判断准则;提出一种包含Rayleigh阻尼映射的有限元映射质点弹簧算法来精确计算连续体内部区域内力和变形.二者相结合构成粘接-映射混合算法,并引入计算机集群和GPU(图形处理器)并行技术,对埋没于颗粒材料中受激振动固支方板的连续-离散耦合动力学问题进行了数值仿真研究.结果表明,粘接-映射混合算法有利于双层级并行算法的程序实现及优化,并在连续-离散耦合界面进行快速接触判断的同时实现对颗粒材料中方板位移、变形、振动形态等参数的研究.通过定幅扫频和定频变幅方式考察激振力频率和幅值对振动板非线性动力学行为的影响并观察到二倍周期现象,同时给出了该连续-离散耦合系统中颗粒体系的能量耗散特性.      

航天器全频域力学环境预示技术研究进展

航天器力学环境预示对于总体设计、结构与机构分系统设计是至关重要的, 特别是对于首发型号, 往往缺乏相似型号的遥测数据参考, 使得有效的预示成为地面试验方案和试验条件确定的主要依据. 航天器在发射段需要承受覆盖全频域的动态载荷, 不同频段的载荷和结构振动响应特性差异很大, 很难用单一的分析方法进行准确预示. 本文分别针对航天器发射力学环境的低频、高频、中频3 个频段, 介绍了国内外航天器全频域力学环境预示的主要方法及其工程应用的研究进展, 并提出了我国在该领域亟需解决的关键技术.     

黄河口裸置管线在位稳定性数值模拟研究

基于Biot固结理论,并结合接触算法,考虑了海水流经管线时的尾流效应,建立了波浪荷载作用下裸置管线与周围土体相互作用的有限元模型,使计算结果更加符合实际情况。将此模型应用于黄河口埕岛油田裸置管线在位稳定性计算,分析了尾流效应对裸置管线稳定性的影响,在此基础上提出了适用于黄河口不同地质分区的裸置管线稳定性校核曲线。     

基于多介质、多尺度离散元方法的冰载荷数值冰水池

极地船舶与海洋工程结构冰载荷的确定是其结构抗冰设计、冰区安全运行和结构完整性管理的重要研究内容. 当前快速发展的高性能计算技术和多介质、多尺度数值方法为准确、高效地计算结构冰载荷提供了有效的途径, 其中以离散元方法为代表的数值方法取得了出色的研究成果. 为此, 本文针对目前极地船舶与海洋工程结构对冰载荷及力学响应的工程需求, 同时考虑国内外对海冰、工程结构与流体相互耦合的多介质、多尺度数值方法研究现状, 对极地船舶与海洋工程数值冰水池的概念、框架、开发技术以及基于离散元方法的软件实现与工程应用进行了论述. 数值冰水池在船舶与海洋工程结构冰载荷确定方面具有可靠性、经济性、快速性、扩展性和情景化等显著优势. 本文工作借鉴数值水池的研究思路, 以典型船舶和海洋平台结构冰载荷及结构力学响应的离散元计算为例, 探讨了数值冰水池研究的可行性和工程应用前景, 阐述其与理论分析、现场测量和模型试验研究相结合的必要性. 以上研究有益于中国在极地船舶与海洋工程领域形成具有独立知识产权的数值计算分析平台, 对中国极地海洋强国的战略实施具有很好的启发和指导意义.      

土-地铁隧道动力相互作用模型试验分析

本文对土的动力特性本构模型以及土-结构的接触面模型进行了较详细的探讨,最后分别选用非线性等价粘弹性模型和Ramberg-Osgood模型。分析表明,在进行模型试验设计时,不仅材料要满足相似性原理,而且在设计边界条件和地震波输入时也应以上述模型为参照。通过对一圆形隧道的地震反应分析,表明拱顶处的最大动应力是圆形隧道出现裂痕的主要原因,进而分析了孔隙率对结构横向变形的影响,分析结果与实际工程情况较为吻合。本文的研究成果可为地铁隧道的抗震设计提供一定的参考意见。     

关于土—结相互作用界面力学行为的数值模拟

根据土 -结 (桩 )相互作用典型的界面力学行为特点——两者相互作用直至剪切破坏的滑动面一般都是在土体一侧内部发生的 ,滑动层的厚薄与土性及结构物表面粗糙度等有关等 ,提出了把二者所谓相互作用的界面在概念上做广义化的处理 ,即泛化为一有限的区域 ,认为结构与土体相互作用的界面应是一个广义的相互作用影响范围而非绝对地仅只限于两者的相互接触界面 ,两者间相互作用的界面行为可近似地通过这有限薄层范围内土体材料的本构行为来模拟 ,从而形成了本文关于土 -结相互作用界面行为的模拟关键实质上可以归结为土体的非线性本构行为及其数值分析途径的研究等观点 ,仅供同行参考     

空间充气展开结构动态分析研究进展

空间充气展开结构是一种以薄膜材料为主构建而成的新型结构, 可用于构建大型的天线、太 阳能集中器、太阳帆等空间结构, 为空间结构的大型化提供了一条有效的解决途径.其动态 特性是充气展开结构设计过程中必须考虑的问题, 动态分析测试技术一直是充气展开结构研 究过程中的关键问题, 由于充气展开结构在材料、结构形式及工作环境等方面的特殊性, 使 得其动态分析和测试技术出现了很多新的问题.目前充气展开结构动态分析的研究方法主要 集中在两个方面：实验研究和数值模拟.实验研究主要是针对充气薄膜结构的特点, 由接触 式的测试手段向非接触式的测试手段发展, 但实验研究在真空和微重力环境的模拟上面临着 很大的问题.数值模拟研究可以有效的模拟结构在真空和微重力环境下的动态行为, 并可分 析重力、空气和褶皱等因素对结构振动特性的耦合影响.本文综述了空间充气展开结构动态 分析的实验研究和数值研究的发展和现状, 并讨论了其中存在的问题, 在此基础上指出了该 项研究的发展趋势.