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.     

滚石灾害防治方法浅析

随着人类活动的广度和力度不断加大,多山地带的滚石问题越来越突出,致使有关滚石灾害及其防治方法的研究也逐步得到重视。总体而言,滚石灾害的防治方法可分为主动防护和被动防护两大类,可应用于不同的滚石灾害环境。对各类滚石灾害防治方法进行简单介绍之后,作者分析了各方法的应用范围和适用条件。     

半弹簧接触模型及其在边坡破坏计算中的应用

提出了一种用于判断、描述三维离散块体的接触状态, 计算块体间接触力的半弹簧接触模型. 该模型将一对接触块体分为母块体及子块体, 半弹簧位于母块体上, 由母块体各节点缩进至各母面面内形成, 目标面位于子块体上. 该模型根据半弹簧与目标面的几何关系直接计算接触力, 无需耗费大量时间判断两个块体的接触类型及计算两个块体的接触面积. 该模型可以解决准三维条件下地质体渐进破坏的计算, 将该模型应用于边坡渐进破坏分析,计算结果与实际情况相符.      

基于碰撞模型的斜坡滚石颗粒速度预测

滑坡滚石灾害是西部山区常见的地质灾害类型,具有突发性和随机性强的特点,是山区地质灾害预测和防治工作的重点和难点.本文基于颗粒接触理论,考虑影响斜坡滚石碰撞过程中的随机因素,建立了用于预测斜坡滚石颗粒碰撞后速度的理论模型.根据冲量及冲量矩定理建立滚石颗粒碰撞基本方程,得到斜坡滚石颗粒碰撞后反弹速度的解析解.结果表明:斜坡滚石碰撞后反弹速度的解析解包含了坡角、坡体上被碰颗粒速度以及角度、入射速度和角度以及撞击角度等随机因素;当考虑入射滚石颗粒与坡体上被碰颗粒的撞击角度变化时,模型预测结果与试验结果吻合较好;本文进一步预测了滚石颗粒碰撞后颗粒反弹线速度和角度以及反弹旋转角速度的概率分布情况.结果显示,反弹颗粒速度和角度以及反弹旋转角速度的概率分布均服从高斯分布;当坡体上被碰颗粒速度和坡角发生变化时,其对反弹颗粒速度和角度以及反弹旋转角速度概率分布定性上没有影响,但是对概率分布的中心参数有显著影响.     

基于碰撞模型的斜坡滚石颗粒速度预测

滑坡滚石灾害是西部山区常见的地质灾害类型,具有突发性和随机性强的特点,是山区地质灾害预测和防治工作的重点和难点. 本文基于颗粒接触理论,考虑影响斜坡滚石碰撞过程中的随机因素,建立了用于预测斜坡滚石颗粒碰撞后速度的理论模型. 根据冲量及冲量矩定理建立滚石颗粒碰撞基本方程,得到斜坡滚石颗粒碰撞后反弹速度的解析解. 结果表明:斜坡滚石碰撞后反弹速度的解析解包含了坡角、坡体上被碰颗粒速度以及角度、入射速度和角度以及撞击角度等随机因素;当考虑入射滚石颗粒与坡体上被碰颗粒的撞击角度变化时,模型预测结果与试验结果吻合较好;本文进一步预测了滚石颗粒碰撞后颗粒反弹线速度和角度以及反弹旋转角速度的概率分布情况. 结果显示,反弹颗粒速度和角度以及反弹旋转角速度的概率分布均服从高斯分布;当坡体上被碰颗粒速度和坡角发生变化时,其对反弹颗粒速度和角度以及反弹旋转角速度概率分布定性上没有影响,但是对概率分布的中心参数有显著影响.      

三峡三期RCC围堰拆除爆破倾倒效果DDA模拟

三峡工程三期RCC围堰采用“以预置集中药室倾倒爆破为主、两端钻孔炸碎爆破为辅”的拆除爆破方案,其中预置集中药室的围堰爆破尤其令人关注.在围堰拆除爆破实施前,应用DDA程序对预置药室按设计顺序依次起爆后,形成围堰倾倒缺口以及围堰倾倒全过程进行了模拟.通过爆破实测振动监测资料分析,围堰倾倒的实际触地时间与模拟触地时间基本一致;通过爆破后水下地形测量,围堰倾倒的缺口形状、倾倒后的形态与模拟计算的结果也基本一致.证明运用DDA程序对三峡三期RCC围堰倾倒爆破效果的爆前预测是成功的,该方法对类似工程的爆破设计、施工和安全防护等具有积极的指导意义.     

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.     

航行体出水破冰的多场耦合效应与相似律

航行体出水破冰中的耦合效应及载荷特征, 是出水冰结构安全性评估的重要依据. 针对航行体出水破冰问题, 通过量纲分析, 获得了影响航行体动载荷及头部应力的主控参数和相似律. 基于LS-DYNA流固耦合计算方法, 得到了航行体在不同冲击速度、冰层厚度、冰层大小条件下的载荷特性. 计算结果表明, 航行体速度越大, 不同冰层对其过载和头部应力的影响差别越大, 这主要是因为航行体速度越大, 通过水介质对不同冰层的前期破坏程度不同. 对于无限大冰层, 当其厚度大于3倍航行体直径时, 航行体穿冰后期呈现稳定侵彻现象, 航行体的过载和头部应力只与航行体的速度和冰的动力学性能相关; 而对于薄冰, 航行体速度越大, 其头部应力反而越小, 这是因为航行体初速度越大, 其通过水的运动对冰的前期冲击破坏越严重, 冰层易开裂上鼓, 所以造成航行体头部应力较小. 对于径向尺寸为6倍航行体直径的碎冰, 当其厚度大于5倍航行体直径时, 碎冰对航行体运动特性的影响和无限大冰层几乎相同; 而当其厚度小于3倍的航行体直径时, 只有在初速度较低时, 碎冰的尺寸效应才可以忽略. 此外, 对比碎冰和无限冰层对航行体运动的影响可以看出, 越厚的冰受前期水的冲击破坏越小, 碎冰和无限冰层的影响规律基本一致; 而较薄的冰在前期水的冲击下破坏严重, 碎冰和无限冰层对航行体运动的影响都较小; 只有中等厚度的冰, 在较高冲击速度下碎冰和无限冰层才表现出径向尺寸效应相关的破坏程度, 如无量纲厚度为3的两种冰在航行体较高初速度40 m/s的条件下前期破坏差别较大, 导致后期对航行体运动特性的影响具有显著差异.      

基于三维匀质化的砌体墙板平面外性能研究

基于三维匀质化理论,建立了两种砌体的三维匀质化基本单元;将匀质化单元中的砂浆简化为零厚度的界面单元,推导出了三维匀质化砌体单元的平面外等效抗弯刚度的计算公式,并讨论了砂浆的弹性模量、泊松比、水平灰缝厚度与块体高度比值、竖向灰缝厚度与块体长度比值等参数对砌体平面外抗弯刚度的影响。结果表明:随着砂浆弹性模量的增大其对应的砌体匀质化单元的平面外抗弯刚度也增大;砂浆泊松比对砌体匀质化单元的平面外抗弯刚度的影响不大;水平灰缝厚度与块体高度的比值对平面外抗弯刚度的竖向分量影响较大,竖向灰缝厚度与块体长度比值对平面外抗弯刚度的水平向分量影响较大。同时,首次将匀质化后的砌体墙看成板来进行理论分析,借助弹性力学中板的经典理论来求解匀质化后的砌体墙的平面外力学性能,通过和试验数据比较可知理论分析结果与试验数据吻合较好。由于获得了综合考虑块体和砂浆性能的等效体的各种信息,基于三维匀质化理论的方法在考虑整体结构时不必再降低到组成相的层面进行研究。这为分析大型结构提供了方便,具有一定的实用价值,完善了砌体分析理论。     

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。     

Modeling rock failure using the numerical manifold method followed by the discontinuous deformation analysis

A complete rock failure process usually involvesopening/sliding of preexisting discontinuities as well as fracturing in intact rock bridges to form persistent failure surfaces and subsequent motions of the generated rock blocksThe recently developed numerical manifold method(NMM)has potential for modelling such a complete failure processHowever,the NMM suffers one limitation,i.e.,unexpectedmaterial domain area change occurs in rotation modellingThis problem can not be easily solved because the rigidbody rotation is not represented explicitly in the NMM.Thediscontinuous deformation analysis(DDA) is specially developed for modelling discrete block systems.The rotationinduced material area change in the DDA modelling canbe avoided conveniently because the rigid body rotation isrepresented in an explicit form.In this paper,a transitiontechnique is proposed and implemented to convert a NMMmodelling to a DDA modelling so as to simulate a completerock failure process entirely by means of the two methods,in which the NMM is adopted to model the early fracturingas well as the transition from continua to discontinua,whilethe DDA is adopted to model the subsequent motion of thegenerated rock blocks.Such a numerical approach also improves the simulation efficiency greatly as compared with acomplete NMM modelling approach.The fracturing of arock slab with pre-existing non-persistent joints located ona slope crest and the induced rockfall process are simulated.The validity of the modelling transition from the NMM tothe DDA is verified and the applicability of the proposed numerical approach is investigated.     

贵州关岭大寨崩滑碎屑流灾害初步研究

2010年6月28日,贵州省关岭县岗乌镇大寨村发生特大型崩滑碎屑(石)流灾害,造成99人死亡或失踪。通过现场考察崩滑区的地质环境与斜坡岩体结构,认为斜坡体由似"干砌块石结构"的裂隙化岩体组成是发生崩溃式破坏的主要内在原因。超常暴雨(过程雨量237mm)条件下斜坡岩体后缘裂缝充水形成持续的"水楔作用"是斜坡岩体松动、倾倒垮塌的主要外部引发因素。碎屑(石)流块度的空间分布具有从源头向沟口逐次减小,碎屑(石)流运动冲击高度逐步降低,冲击速度逐步减小,并显示4个能级4个冲程的特点。根据动势能守恒定律,计算了每个冲程的最大速度,得出第1冲程为高速崩滑,其它冲程属于碎屑(石)流动冲击。未发现区域天然地震、光照水库诱发地震与外围历史采矿活动与本次事件相关的直接证据。由于滑坡后缘仍存在不稳定岩体,碎屑(石)流堆积体上多处分布直径3~5m的堰塞塘,说明碎屑(石)空隙的排泄能力不足,在未来暴雨条件下引发新的崩滑或形成沟谷型泥石流的可能性是存在的。     

落石冲击下隧道大跨度棚洞的动力响应数值分析与抗冲击研究

为研究大跨度棚洞在落石冲击下的力学性能以及轻质土的抗冲击性能,根据所确定的落石冲击能量,利用动力有限元数值方法对山岭隧道大跨度棚洞受落石冲击作用的动力响应进行了分析,研究了棚洞钢筋混凝土结构受落石冲击作用的损伤特性,将不同工况下的冲击深度时程曲线和冲击力时程曲线进行了对比,比较了棚洞顶部回填普通土和轻质土时对落石冲击作用的缓冲效果,并给出了棚洞顶部回填材料及其回填土厚度的建议。     

转折型沟谷对地震崩塌体块石拦截效果分析

在现场调查和统计的基础上,分析了青川县东河口地震型崩塌体200余块块石沿转折型沟谷的分布特征和各不同体积组块石的分布特征。提出块石拦截率概念,并据此从数量和体积2个角度定量分析了沟谷拐弯段对块石的拦截效果。分析认为:转折型沟谷在控制块石的运移方面具有积极作用; 相比小体积块石,沟谷拐弯段对大体积块石具有更好的拦截效果; 从数量上来看,沟谷内靠近崩塌堆积体后壁的拐弯拦截块石相对较少。本文的分析思路及方法为认识和研究转折型构筑物及其拐弯在控制崩塌体运移等方面提供参考,所得结论为人类防治崩塌灾害等方面提供借鉴。     

重庆武隆鸡尾山危岩体形成与崩塌成因分析

鸡尾山事件是一次巨型滑移式岩体崩塌（体积大于100×10⁴m³）,也是一次特大型地质灾害（死亡/失踪人数超过30人）。鸡尾山层状石灰岩地质结构、近南北向和近东西向裂隙组合以及软弱夹层的存在是山体开裂滑移的物质结构基础。长期的降雨渗流和岩溶作用使软层强度弱化、裂隙带扩大是层状山体易于拉开的前提。类比分析认为,鸡尾山地形上高陡临空、山下铁矿大面积采空形成的“悬板张拉效应”是山体拉裂形成大规模危岩体的主要原因。视滑力分析计算得出,层状岩体向外的视滑力是逐渐克服危岩体底面摩擦力和前缘抗剪力,使危岩体蠕滑发展成崩塌的主要驱动力。鸡尾山崩塌灾害是铁矿采空和视滑力共同主导作用下的一个“山体拉裂～弱面蠕滑～剪出崩塌～碎屑流冲击～灾难形成”的链式反应过程。文章为应急管理决策解释了此次事件的动力来源问题,也为类似事件应急响应技术支撑提供了一种简便方法。     

Formulations of the three-dimensional discontinuous deformation analysis method

This paper extends the original 2D discontinuous deformation analysis (DDA) method proposed by Shi to 3D cases, and presents the formulations of the 3D DDA. The formulations maintain the characteristics of the original 2D DDA approach. Contacts between the blocks are detected by using Common-Plane (C-P) approach and the non-smooth contact, such as of vertex-to-vertex, vertex-to-edge and edge-to-edge types, can be handled easily based on the C-P method. The matrices of equilibrium equations have been given in detail for programming purposes. TheC program codes for the 3D DDA are developed. The ability and accuracy of the formulations and the program are verified by the analytical solutions of several dynamic examples. The robustness and versatility of the algorithms presented in this paper are demonstrated with the aid of an example of scattering of densely packed cubes. Finally, implications and future extensions are discussed. The project supported by the National Natural Science Foundation of China (50139010)     

基于能量原理确定系泊碰撞载荷的有限元法

准确地确定出船舶系泊时的撞击载荷, 对船舶及海洋平台的强度研究都是极其重要的. 提出了通过能量原理和有限元分析确定系泊撞击载荷的方法. 碰撞时, 动能和变形能满足能量守恒, 动能是包括附连水质量在内的船体总动能, 此动能在撞击时转化为变形能, 根据变形能与载荷的关系, 求出碰撞载荷. 通过具有碰撞载荷理论解的梁的验证, 表明该方法是完全可行的. 为实际工程提供了确定护舷撞击力的理论依据和计算方法.     

Validation and application of three-dimensional discontinuous deformation analysis with tetrahedron finite element meshed block

In the last decade, three dimensional discontinuous deformation analyses (3D DDA) has attracted more and more attention of researchers and geotechnical engineers worldwide. The original DDA formulation utilizes a linear displacement function to describe the block movement and deformation, which would cause block expansion under rigid body rotation and thus limit its capability to model block deformation. In this paper, 3D DDA is coupled with tetrahedron finite elements to tackle these two problems. Tetrahedron is the simplest in the 3D domain and makes it easy to implement automatic discretization, even for complex topology shape. Furthermore, element faces will remain planar and element edges will remain straight after deformation for tetrahedron finite elements and polyhedral contact detection schemes can be used directly. The matrices of equilibrium equations for this coupled method are given in detail and an effective contact searching algorithm is suggested. Validation is conducted by comparing the results of the proposed coupled method with that of physical model tests using one of the most common failure modes, i.e., wedge failure. Most of the failure modes predicted by the coupled method agree with the physical model results except for 4 cases out of the total 65 cases. Finally, a complex rockslide example demonstrates the robustness and versatility of the coupled method.     

Modeling and dynamics analysis of helical spring under compression using a curved beam element with consideration on contact between its coils

Helical springs are indispensable elements in mechanical engineering. This paper investigates helical springs subjected to axial loads under different dynamic conditions. The mechanical system, composed of a helical spring and two blocks, is considered and analyzed. Multibody system dynamics theory is applied to model the system, where the spring is modeled by Euler–Bernoulli curved beam elements based on an absolute nodal coordinate formulation. Compared with previous studies, contact between the coils of spring is considered here. A three-dimensional beam-to-beam contact model is presented to describe the interaction between the spring coils. Numerical analysis provides details such as spring stiffness, static and dynamic stress for helical spring under compression. All these results are available in design of helical springs.