岩石破裂过程THMD耦合数值模型研究

从岩石的细观非均匀性特点出发,应用损伤力学、热力学和渗流力学理论,建立了岩体热(温度)-水(渗流)-岩(应力)-损伤耦合数值模型(THMD model),把岩石(体)THM耦合问题的研究从应力状态分析深入到损伤、破坏过程分析之中。探讨了THM耦合作用下岩石材料的细观结构损伤及其诱发的材料力学性能演化机制,并运用所提出方法计算温度-渗流-应力耦合作用下井筒近场围岩的稳定性,模拟得到的岩体破坏过程、应力分布、AE特性及渗流特性变化与现场标定结果有着一致的规律性,初步证明了该数值模型的合理性和有效性。THMD模型以简单的数值模型表征了岩石(体)中热、水、岩及损伤之间复杂的作用关系,为从细观损伤演化揭示宏观岩体温度-渗流-应力耦合破坏机制提供了一种新的数值分析方法。     

N-S方程基于投影法的特征线算子分裂有限元求解

提出了一种求解非定常不可压缩纳维--斯托克斯方程(N--S方程)的新型有限元法:基于投影法的特征线算子分裂有限元法.在每一个时间层上将N--S方程分裂成扩散项、对流项、压力修正项.对流项采用多步显式格式,且在每一个对流子时间步内采用更加精确的显式特征线--伽辽金法进行时间离散,空间离散采用标准伽辽金法.应用此算法对平面泊肃叶流、方腔流和圆柱绕流进行数值模拟,所得结果与基准解符合良好.尤其对于Re=10 000的方腔流,给出了方腔中分离涡发展和运动的计算结果,并发现在该雷诺数下存在周期解,表明该算法能较好地模拟流体流动中的小尺度物理量以及流场中分离涡的运动.     

深部岩体圆形巷道围岩松动圈形成机理数值试验研究

采用损伤力学和统计理论的单元本构模型，探讨深部岩体巷道围岩破坏规律, 利用岩石破裂过程分析软件RFPA$^{\rm 2D}$, 对深部 岩体中的圆形巷道的变形及非线性渐进破坏特征、巷道周边关键部位的位移和应力变化进行 了分析，研究了圆形巷道围岩松动圈的形成机理. 研究表明：巷道开挖后，其周边形成应力 集中带，随着围岩压力的持续作用，巷道周边产生塑性变形区，并沿径向形成裂纹；随着裂 纹的不断扩展，巷道周边出现松动破裂区，即松动圈. 产生破裂区后，应力集中程度减弱， 应力高峰点向远处转移.     

基于细观力学的混凝土弹塑脆性损伤研究

将混凝土假定为一种由硬化水泥砂浆、粗骨料、界面粘结带所组成的三相复合材料，在满足骨料级配曲线算法的基础上，采用细观单元的弹塑脆性损伤本构关系，考虑材料的非均质特性，建立了基于细观力学的混凝土弹塑脆性损伤数值模型；分别研究了单轴受拉预置裂纹试样和单轴受压混凝土试样的细观弹塑脆性损伤破坏行为，并揭示了混凝土的宏观表征强度存在明显的尺寸效应，通过将计算结果与 Bazant 尺寸效应公式、单轴受压物理实验曲线进行对比，验证了模型的正确性。数值试验表明：该模型可以清晰地模拟混凝土细观塑性屈服和失效裂纹的萌生和扩展。骨料与水泥砂浆间的界面粘结带相对薄弱，在混凝土试件形成宏观损伤局部化带前，试件的屈服和破坏首先发生在骨料边缘处的界面位置，并沿着界面粘结带扩展、贯通；同时，导致宏观裂纹形成和发展的因素仍以细观单元的拉伸破坏为主。     

直立码头前船波浪力耦合计算模型

建立了外域用Boussinesq方程、内域用刚体运动方程的直立码头前二维船剖面波浪力的时 域计算耦合模型，内域与外域在交界面的匹配条件是流量连续和压力相等. 进行了相关模型 实验，并把计算结果与实验结果进行了对比. 推导了船体与水底和直立码头之间间隙内流体 运动的自振频率，研究了间隙内流体运动的共振现象.     

非定常不可压N-S方程的最小二乘算子分裂有限元法数值求解

采用最小二乘算子分裂有限元法求解非定常不可压N-S(Navier-Stokes)方程,即在每个时间层上采用算子分裂法将N-S方程分裂成扩散项和对流项,这样既能考虑对流占优特点又能顾及方程的扩散性质。扩散项是一个抛物型方程,时间离散采用向后差分格式,空间离散采用标准Galerkin有限元法。对流项的时间项采用后向差分格式,非线性部分用牛顿法进行线性化处理,再用最小二乘有限元法进行空间离散,得到对称正定的代数方程组系数矩阵。采用Re=1000的方腔流对该算法的有效性进行检验,表明其具有较高的精度,能够很好地捕捉流场中的涡结构。同时,对圆柱层流绕流进行了数值研究,通过流线图、压力场、阻力系数、升力系数及斯特劳哈数等结果的分析与对比,表明本文算法对于模拟圆柱层流绕流是准确和可靠的。     

港口非线性波浪耦合计算模型研究

建立了外域用差分法求解高阶Boussinesq方程、内域用边界元法求解Laplace方程的二维船 非线性波浪力时域计算的耦合模型. 研究了该类耦合模型的匹配条件、耦合求解过程和内域、 外域公共区域长度的确定. 该耦合模型计算结果与只用边界元求解Laplace方程模型的计算 结果和实验结果对比表明，该耦合模型不仅计算精度高，而且计算效率快，适用于研究较大 区域内波浪对物体的非线性作用.     

岩石圆盘径向压缩破坏的Voronoi子块体单元DDA方法模拟

非连续变形分析(DDA)方法是计算离散可变形块体系统力学行为的数值计算方法，可通过子块体单元DDA方法模拟岩石的开裂破坏。考虑到Voronoi多边形颗粒与细观尺度下岩石矿物晶粒形态的相似性，提出一种基于随机圆的Voronoi颗粒单元模型生成方法；并通过完整及带预制裂纹岩石圆盘径向压缩破坏的模拟，验证岩石破裂问题Voronoi子块体单元DDA模拟方法的适用性。结果表明，当子块体单元数较小时，圆盘表现出更高的整体强度；随着子块体单元数的增大，起裂处位置更接近真实，开裂破坏路径更清晰；子块体单元数较大时不同倾角预制裂纹圆盘破坏的模拟结果与实验结果高度吻合，并能有效反映圆盘中心加工小孔对开裂破坏路径的影响。使用Voronoi子块体单元DDA方法能够有效模拟岩石的开裂破坏过程，为进一步开展基于Voronoi颗粒单元模型的岩石开裂破坏模拟创造了条件。