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.     

埋地冲洗管线强度计算及影响因素规律分析

研究了冲洗管线在自重、内压、温差和土壤力综合作用下的强度分析方法,给出埋地冲洗管线应力计算公式。采用有限单元法对某冲洗管线重点部位进行力学特性分析,得到其真实应力分布状态,对比了理论计算结果与数值结果误差,证实轴向应力理论计算结果偏保守。对不同壁厚、不同环境温度和不同压力下的管线力学特性进行讨论,结果表明,管道的环向应力起主导作用,且埋深0m~0.75m内管线的环向应力变化明显,因此,当考虑温差及波动内压作用时,该段管线力学特性应引起足够重视;受环境温度影响,管线最大等效应力与总位移规律近似相反,即等效应力最小,总位移近似最大;考虑到等效应力随压力变化规律,不同季节宜采用不同的冲洗压力以满足安全运行要求。     

空中爆炸冲击作用下不同接头形式埋地管线动力响应的对比试验研究

为探明爆炸冲击条件下管线接头部位受力变形的特点和规律,在室内爆炸试验碉堡测试系统内分别对直管线、带直接头和弯头管线动力响应情况进行对比试验研究,测试了接头连接处迎爆面及其背面的轴向应变,并对测试结果进行了对比分析。结果表明,管径突变会产生应力集中,接头部位是管线系统的薄弱环节;接头的厚径比是影响接头部位防爆抗震性能的重要参数;接头的类型是影响管线系统防爆抗震性能的重要因素,在管线设计中要尽量减少弯头数量,设置橡胶软接头可增强管线系统防爆抗震性能。     

混凝土断裂的连续-非连续方法

采用有限元形函数作为单位分解函数,位移间断用富集节点的附加自由度表示,建立了允许在单元内部位移非连续的局部富集公式以表征混凝土的开裂区域.富集基函数由节点形函数和节点形函数与间断函数的乘积的并集构成.非连续位移的扩展路径完全与网格结构无关.不同于以非协调应变为基础的嵌入非连续模型,对单元的类型没有限制而且间断位移可以贯穿单元边界.局部富集思想与扩展有限元类似,但富集点自由度保持节点位移的物理意义不变,使相邻单元无需进行富集运算.在变分公式中引入混凝土粘结本构定律,推导了考虑断裂过程区非线性影响的基本方程.对混凝土粘结裂纹扩展的数值模拟说明了该计算方法的有效性.     

非连续边界元——有限元耦合方法分析

对边界元－有限元耦合方法进行了分析，采用非连续元离散边界积分方程，解决了耦合分析中自由度约束问题，给出了非连续边界元同有限元耦合的具体实施步骤，通过对二维弹性力学和流＝固耦合问题分析，表明了该文方法的有效性。     

非连续变形计算力学模型的粘弹性分析方法Ⅱ:算例分析

应用作者提出的非连续变形计算力学模型粘弹性分析方法对具体的多体系统在动力外荷载作用下的响应进行了数值模拟,探讨了系统中物体的粘性阻尼对整个系统的变形、应力和接触应力等的影响。与通用软件ABAQUS的计算结果进行了比较研究,两种方法所得到的结果基本一致,但所发展的方法克服了ABAQUS中接触应力分段均匀分布的缺陷,因而所得到的接触应力较为合理,同时也说明了所提出的方法为由刚体、弹性体和粘弹性体所构成的复杂多体系统的数值分析提供了有力的工具。     

非稳态纯滚动接触弹塑性分析

建立了二维弹塑性非稳态循环纯滚动接触有限元模型.材料本构采用一种较好的循环塑性模型,并通过材料用户子程序在通用有限元软件ABAQUS中自定义该本构模型.通过在弹塑性无限半空间表面上重复移动随时间按简谐规律变化的赫兹法向载荷来模拟非稳态循环纯滚动接触过程.通过数值模拟,得到接触表面附近的残余累积变形、应变和残余应力.不同的最大赫兹接触压力对残余应力和残余应变影响较大.在简谐变化的法向接触载荷作用下接触表面的变形呈波浪形,随着滚动次数的增加,该波状表面沿载荷移动相反方向逐渐移动,但移动速率要衰减.波状表面波谷处的残余应力、应变和变形大于波峰处.随滚动次数的增加,残余应力增大但很快趋于稳定,残余应变也增大但增大速率衰减.     

非连续变形计算力学模型的粘弹性分析方法Ⅰ:基本理论

基于粘弹性广义有限单元和接触力元,发展了适用于多体相互作用系统非连续变形分析的粘弹性数值分析方法,通过虚功原理,给出了其分区参变量最小势能原理,从而阐明了其理论基础。粘弹性广义有限单元的本构关系可由粘弹性退化为弹性或刚性,因此本文所提出的方法可对由刚体、弹性体和粘弹性体所构成的复杂多体系统在外荷载作用下的力学行为进行数值模拟,同时能够比本文精确地直接得到多体之间的接触应力。     

非连续变形分析方法的改进及应用

首先,采用位移收敛判据对非连续变形的岩石断裂分析进行改进并程序实现. 其次,将非连续变形分析方法和裂隙网络渗流模型结合起来,建立了渗流应力耦合分析模型,研究了裂隙岩体变形对渗流的影响以及渗流与应力耦合作用下裂隙岩体的变形破坏特征. 研究发现,主干裂隙控制着渗流场分布,考虑耦合作用时的水头值比不考虑耦合作用时大,说明考虑耦合后坡体更容易变形失稳. 改进前后裂纹扩展形态基本不变,表明程序计算的收敛判据是有效的.     

基于连续-非连续单元方法的露天矿三维台阶爆破全过程数值模拟

爆破开采是露天矿采选总成本控制的首要环节,数值模拟是进行露天矿爆破开采优化设计及爆破效果分析的有效手段。利用连续-非连续单元方法(continuum-discontinuum element method,CDEM)对露天矿的三维台阶爆破过程进行了模拟,通过朗道爆炸模型实现了爆炸作用力的精确计算,通过弹性-损伤-断裂本构实现了岩体损伤破裂过程的描述,通过半弹簧-目标面及半棱-目标棱的联合接触算法实现了破碎岩块碰撞、飞散及堆积过程的高效模拟。开展了小尺度单自由面爆破过程的数值模拟,计算给出的块度分布曲线、爆破漏斗体积等参数与文献中模型实验的结果基本一致,证明了CDEM及本文所述各类模型在模拟爆炸破岩方面的精确性。以鞍千矿南采区的露天铁矿爆破开采为研究对象,建立了3排21炮孔的三维台阶爆破概化模型,模拟了从炸药起爆、岩体损伤破裂到最后爆堆形成的全过程;计算结果表明,除后缘拉裂槽外,数值计算给出的爆堆形态、顶部鼓起高度等与现场的测试结果基本一致,证明了利用CDEM开展三维露天台阶爆破全过程模拟的可行性。     

电磁接触问题的变分原理与有限元求解

电磁接触耦合作用的力学分析的难点是必须考虑电磁场以及由此引起的电磁力与可移动接触边界间的耦合作用，属于强非线性问题。本文给出接触面区域电磁场分析的处理条件，并进一步建立了两类变分方程，一类是电磁分析的变分泛函，其考虑了接触区域对结构电磁场的影响；另一类是二维电磁力学接触分析的参数变分原理，可以方便地对接触问题进行求解。数值结果验证了本文的理论与算法。     

线接触弹性接触变形的解析算法

以一般光滑性体接触理论为基础,结合有限长弹性体接触的特点,求出线接触弹性接蟹变形的解析公式,并发现其解析解与数值解具有很好的一致性,所得公式可以对赫兹线接触理论加以补充,与经验公式相比,它能够确切反映材料、载荷以及曲率半径等对接触变形的影响,为工程中的精确计算提供了方便。     

大变形中摩擦接触问题的数值模拟及应用

大变形的摩擦接触是复杂的非线性问题 ,本文介绍了一种处理摩擦接触问题的数值方法。采用接触单元技术模拟接触界面 ,基于弹塑性理论形式的非经典Coulomb摩擦定律及罚函数方法建立了摩擦接触的增量本构关系。结合大变形的增量分析格式给出了积分摩擦接触本构方程的回映方法。这种处理摩擦接触问题的方法计算简单、使用方便。给出的计算实例及应用实例说明了方法的精度与稳定性     

从规划法求解看有摩擦接触解的不唯一性

以单点接触问题为例研究了有摩擦接触问题的几个特点，给出了这类问题出现不唯一解的条件。进而从二次规划求解角度分析了解的不稳定性与不唯一性的数学原理，文中给出了规划法求解有摩擦接触问题应注意的问题     

不同材料交界面上接触应力的有限元分析

工程中有许多不同材料组成的结构。对这类复合结构，正确计算材料交界面上的接触应力是非常重要的。通常的位移有限元法得到的应力是不连续且欠准确的。本文提出了一种新的用于不同材料交界面处的接触单元。应用虚位移原理和结合考虑材料交界面上的约束条件，文章建立了接触单元的刚度矩阵和等效荷载向量。该单元具有算法简单，程序容易实现的优点。计算实例证实了该单元的实用性和可靠性。     

非稳态载荷下轮轨滚动接触及其钢轨波磨研究

利用有限元法,考虑材料反复滚压条件下棘轮效应和局部滑动的影响,研究了非稳态机车和车辆车轮载荷作用下轮轨滚动接触的弹塑性应力、应变和变形,进而分析了塑性流动型钢轨波浪形磨损的形成和发展过程以及波谷和波峰处材料的力学行为.结果表明:在非稳态载荷作用下,钢轨接触表面产生不均匀塑性变形引起的波磨,波磨发展速率呈衰减趋势,最终趋于稳定状态;在相同载荷下,与车辆车轮相比,机车车轮对钢轨波磨影响较大;波谷处的残余应力、应变和变形大于波峰处.     

粗糙薄层弹性体接触刚度分析

薄层弹性体功能结构表面在工程领域有着广泛的应用前景,薄层弹性体的接触特性分析对功能结构表面设计与应用非常重要.采用随机粗糙表面模拟生成技术和有限元分析技术建立了粗糙薄层弹性体表面的接触刚度确定性分析模型,研究了薄层弹性体的接触特性,对基于半数值确定性分析方法的粗糙层-基体层串联模型用于粗糙薄层弹性体接触刚度计算的适用性进行了讨论,进一步分析了粗糙薄层弹性体串联模型接触刚度的误差来源.研究结果表明:当薄层弹性体的基体层厚度小于10倍表面均方根粗糙度时,由传统粗糙层-基体层串联模型分析获得的粗糙薄层弹性体刚度误差将超过15%,误差主要来源于粗糙峰的大变形和基体层的局部变形不均匀的共同作用.     

DDA与FEM耦合法在分缝重力坝非线性分析中的应用

混凝土重力坝一般设有数条纵缝。纵缝使坝体的连续性遭到破坏,一般的有限单元法很难处理这样的不连续变形问题。本文首先阐述了DDA(Discontinuous Deformation Analysis)与FEM(Finite Element Method)耦合算法的原理,然后采用作者自行研制的DDA与FEM耦合法程序对一实际重力坝进行了详细的计算分析。重点讨论了纵缝的不同设置形式和缝宽大小对坝体变形和应力分布、坝底面接触应力分布以及坝基面应力分布的影响,为工程设计提供依据。     

应用三维光弹性分析轧辊的接触应力

对有限长，外载荷又集中作用的轧辊，当其母线接触压靠性，接触面上的应力分布是不均匀的。于是，根据弹性力学理论推导的无限长辊子相互压靠的接触应力“赫芝”解法无法得到充分应用。由于这个原因。该文提出了一个辊子接触应力非均匀分布模型假设，它是在横向满足半椭圆分布，而纵向为未可知的曲线分布，根据这个假设应用三维光弹性的应力切片法及有限元数值计算概念。导出了这类辊子接触应力的混合计算方法。作为一个应用实例，该文讨论了宝钢1420双平整轧机轧辊的接触问题，该轧机有六个辊子组成，上下三三对称，其中最外层为支承辊，中间是中间辊，下层是工作辊，工作辊与轧件接触，钢厂在板形控制研究中，十分需了解各辊子之间的接触应力，应用该文分析方法。可以得到接触面上理想的三向接触应力值。为厂方的板形控制工艺改进提供了极有用的参数。