非连续变形分析方法的改进及应用1）

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.     

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.     

裂隙岩体非稳态渗流数值模型及其应用

为解决裂隙岩体非稳态渗流问题, 发展了一种新的数值模型. 对于单裂隙渗 流求解, 其控制方程是基于一定假设的简化Navier-Stokes方程, 数值方法采用有限差分法 和流体体积法. 在裂隙网络中, 交界处渗流可以由专门的控制方程求解. 计算结果表明, 该 数值模型既可以大幅提高非稳态渗流的计算效率, 还可以避免孤立裂隙所带来的影响. 最后, 通过两个工程算例验证该数值模型的适用性.     

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。     

跨断层埋地管线-土接触非连续变形分析

跨断层埋地管线系统主要由管线及其周围土体两种不同介质组成,具有分析介质不连续性特性.为实现对管-土接触介质的不连续性分析,采用非连续变形分析与有限元分析相结合的方法,将跨逆断层埋地管线系统从实际工作状态中取出一部分作为分析对象.利用有限元分析方法对管线及其周围土体进行网格划分;而管-土之间的相互作用,利用非连续变形分析中的不连续介质接触处理方法实现模拟.通过模型的数值分析,研究了逆断层作用下管-土之间的非连续变形相互作用状态,验证了利用非连续变形分析与有限元方法相结合解决埋地管线-土接触的可行性和有效性,为管-土相互作用分析提供了新的研究思路和研究方法.     

考虑单元劈裂的流-固耦合连续-非连续方法及定向水力压裂模拟

为了更真实地模拟水力压裂过程中的岩石变形、裂缝扩展及流体流动,在自主开发的拉格朗日元与离散元耦合的连续-非连续方法的基础上,发展了一种流-固耦合方法。在该方法中,裂缝可沿四边形单元对角线和单元边界扩展,流体流动满足立方定律。通过与单一裂缝非稳态渗流模型及KGD模型的理论解进行对比,验证了该方法的正确性。由定向射孔水力压裂的模拟结果可以发现,(1)距离射孔越远,流体压力越小;随着时间的增加,裂缝中流体压力降低。(2)随着射孔角度的增加,裂缝起裂和扩展过程中的流体压力及转向距离增加;随着x方向水平应力的增加,裂缝起裂和扩展过程中的流体压力增加;两个方向水平应力之差越大,裂缝转向距离越小。(3)随着时间的增加,裂缝区段数目的增速变慢,这与裂缝体积增加变快有关。     

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。     

非贯通裂隙岩体损伤演化率相关性及变形特征

含非贯通裂隙岩体是自然界中岩体的主要赋存形式,其裂隙几何特征对岩体的强度及变形均产生显著影响。应变率对岩体的损伤演化及黏滞效应也具有显著的率相关性。首先,运用模型元件的方法,将非贯通裂隙岩体动态破坏过程视为具复合损伤、静态弹性特性、动态黏滞特性的非均质点组成,对黏弹性响应的Maxwell体进行改进,将细观损伤体与裂隙损伤演化的宏观损伤体根据等效应变假设并联组成宏细观复合损伤体,构建综合考虑岩体宏细观缺陷的动态损伤模型;其次,基于断裂力学及应变能理论,对岩体宏观裂隙动态扩展的能量机制进行分析,综合考虑初始裂隙应变能、裂隙动态损伤演化过程应变能、裂隙闭合应变能,得到裂隙岩体宏观动态损伤变量计算公式;最后,将模型计算结果与实验结果进行比较,模型计算结果与实验结果吻合较好,证明了模型的合理性,同时利用模型讨论了裂隙倾角、应变率、岩石性质对岩体变形特征的影响规律。     

渗流对岩体高边坡位移的影响

根据渗流场和位移场耦合机理 ,结合某大型船闸工程 ,采用有限元法进行计算分析和对比 ,结果表明船闸在开挖过程中 ,渗流作用力对开挖边坡的稳定性影响很大。并指出对高边坡进行稳定分析时 ,正确考虑渗流作用力的影响十分重要。     

弹塑性材料的平面应力非连续分岔

基于平面应力非连续分岔特性的一般描述,运用统一强度理论,得出了非相关流动情形的弹塑性材料平面应力非连续分岔的起始方位角以及相应的最大硬化模量的统一解析解,并且分析了材料拉压异性以及不同程度的中间应力对结果的影响,进而发现所得的结果一强度准则的选取有关,揭示了在分岔研究中正确选取符合材料特性的强度准则的重要性。最后,同特线理论比较发现平面应力剪切带型非连续分岔同平面应力特征线重合。     

渗流-应力耦合随机性分析方法与应用

基于摄动随机有限元法计算参数随机性对渗流-应力耦合问题的影响, 以渗透系数和弹性模量为基本随机量, 推导了渗流-应力耦合摄动随机有限元迭代格式, 在此基础上对现有计算渗流场和应力场的单场随机计算程序进行改造. 使用改造程序对某大坝渗流-应力耦合问题进行分析, 并与商用软件计算结果进行对比.结果表明, 两种方法计算结果基本一致, 揭示了工程实际中的流固耦合规律, 改造的程序还可以输出商用软件未涉及的随机特征.     

岩体系统渗流场与应力场耦合的广义双重介质模型的应用研究

本文通过实验资料分析, 提出了裂隙岩体应力与渗流之间的分形几何关系式。以研究区岩体系统结构为基础, 提出了岩体系统应力场与渗流场耦合的广义双重介质模型, 并将该模型应用于某水利水电工程的渗流与控制中, 对坝区岩体进行了应力场和渗流场的耦合分析, 取得了比较满意的结果。     

非连续数字图像相关方法在裂纹重构中的应用

数字图像相关方法作为一种新的非接触式位移测量方法,在力学工程中有广泛的应用前景,然而受限于标准方法对图像变形的连续性要求,这种高效的测量方法在断裂力学领域的推广受到了限制. 为解决这一问题,提出采用引入子区分离数学模型,代替标准方法的连续模型,来对非连续区域进行精确识别和匹配的非连续数字图像相关方法. 研究子区被裂纹等非连续分割后原始像素点的位移情况,并引入裂纹张开向量用以表征被分割子区的主区和副区的位移关系;从而建立子区分离模型的数学表达式,并且为所提出的模型设计相应的图像相关算法;然后将所提出的非连续数字图像相关方法应用于重构平板拉伸试验开裂过程中图像的位移. 研究结果表明,相比于标准的数字图像相关方法,所提出的非连续数字图像相关方法解决了图像相关法在非连续区域失效的问题,提高了数字图像相关方法对位移测量的正确率,特别是能够准确重构裂纹面及附近的位移场,其测量精度能够达到亚像素级别.      

Wilson非协调元在温度应力分析中的应用

本文给出了将 Wilson 非协调元用于温度应力分析的理论推导及收敛条件.通过算例证明了采用线性单元计算温度,使用相应的非协调元计算位移和应变是一种好的匹配方案.     

三维非连续变形分析方法碰撞分析及其应用

将具有完备动力学理论的非连续变形分析(DDA)方法应用于块体碰撞研究。基于三维DDA(3D DDA)方法,按时步输出块体碰撞过程速度变化和接触嵌入量,进而得到块体碰撞恢复系数、冲量、冲击力。以此为参考指标,采用斜抛、面-面对心等碰撞模型,验证3D DDA方法模拟块体碰撞的有效性,并将3D DDA方法应用于多米诺骨牌倾倒、滚石边坡成灾及防护等算例分析,探讨了多米诺骨牌倾倒机制、滚石启动及运动行为、滚石灾害防护方案。结果表明:多米诺骨牌间距越大,同一块体被碰撞时间越迟,其最终稳定时间也越迟,与下一块体碰撞的动能越大;滚石运动呈侧向平动及转动三维运动特征,每一次碰撞,均引起动能、轨迹或状态的显著变化;滚石拦挡设施弹簧刚度越大,越先达到最大冲击力,最大冲击力随弹簧刚度的增加而减小;可结合树木阻挡效应,耗散滚石动能,降低滚石飞跃高度,使滚石灾害减轻或控制在防护范围以内。     

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.     

Wilson非协调元在温度应力分析中的应用

本文给出了将 Wilson 非协调元用于温度应力分析的理论推导及收敛条件.通过算例证明了采用线性单元计算温度,使用相应的非协调元计算位移和应变是一种好的匹配方案.     

基于图像识别的裂隙煤层气非Darcy渗流模拟

煤层气在煤岩裂隙中流动时,由于其粘度系数较小,很容易产生非Darcy现象.因此,考虑煤层气的非Darcy渗流将会使得研究结果更加客观和准确,对煤层气开采具有实际意义.首先将实物裂隙高清拍照导入Matlab软件中进行图像二值化处理,再利用COMSOL软件对二值图像进行模型重构和数值模拟.模拟结果显示,煤层气渗流速度随着裂隙尺度的变化而不断改变,速度随时间不断增加,但区域渗流速度分布状态保持不变.与Darcy结果的对比分析可知,相同压力梯度下,考虑非Darcy因素的产气量要明显小于仅考虑Darcy因素的情况.同时,结果显示,在渗透率不同的煤裂隙中,煤层气的渗流速度不同.渗透率较大时,渗流速度相对较大,同样,渗透率较小时,渗透速度较小.     

岩石边坡裂隙渗流的流形元模拟

为了能够更好地考虑裂隙渗流在岩石边坡破坏中的作用,在考虑裂纹扩展的数值流形方法程序基础上,从最小势能原理出发,阐述了渗流与变形的耦合作用机理并推导了相应的耦合方程,在程序中实现了对渗流与断裂的模拟。最后利用该程序对含初始裂隙的岩石边坡在渗流作用下的破坏过程进行了模拟。模拟结果很好地再现了边坡在渗流作用下的实际破坏过程。同时通过对裂纹扩展过程中应力强度因子的计算发现,第一应力强度因子始终大于第二应力强度因子,且随着计算时间增加,二者的差值逐渐增大,裂纹扩展以Ⅰ型为主。     

广义应力理论及在岩石试验中的应用

本文提出广义应力的概念及理论,以期改善传统力学的应力理论使之便于解决地下结构工程力学问题．由文中看到,广义应力理论与岩体介质蠕变柔量理论相结合可以使粘弹性平面问题的位移分析简化