基于热力耦合的砼衬砌渠道冻胀开裂数值模拟

在我国北方地区,衬砌渠道的冻胀破坏现象严重阻碍着渠道的正常运行,冻胀问题亟待解决。根据砼梯形衬砌渠道的受力特点,在对渠道冻胀现象进行了适当简化和合理假设的基础上,通过使用扩展有限元方法XFEM,直接建立了温度荷载和裂纹发展之间的关系,对渠道的砼衬砌结构在温度应力作用下裂纹产生的位置进行了预测,模拟了裂纹在冻胀作用下的扩展形式和破坏状态。模拟结果直观分析了梯形渠道在冻胀作用下从阴坡到底板再到阳坡依次破坏的过程,解释了不均匀冻胀会影响各部分冻胀破坏程度的原因,验证分析了渠道衬砌板的裂纹为I+Ⅱ型复合裂纹和因此产生的受力状态,从而为渠道抗冻胀设计提供了分析办法。     

数值模拟油井射孔器作用过程方法研究及应用

提高射孔器性能是射孔弹厂家面临的和油田用户关心的主要问题。油井聚能射孔器的作用过程涉及爆轰波的形成、传播、爆轰波与其他介质的相互作用等爆轰问题,射流的形成、延展等界面碰撞问题,射流对靶的侵彻、靶的成坑和动态响应等侵彻问题,作用过程复杂。为了研究油井聚能射孔器的作用过程和机理,降低设计成本,缩短研制周期,本文介绍了模拟石油射孔器从炸药起爆,射流形成,射流侵彻钢靶、井液、混凝土靶的整个作用过程的欧拉数值方法,包括数学模型、离散方法、相应的本构模型,以及为节省计算机时采用的计算和理论分析耦合的模拟方法,并将数值模拟结果与实验进行了比较。研究结果表明,数值模拟结果与实验结果符合的较好,说明方法是有效的和可行的。     

岩石破裂滑动过程及其声发射数值模拟

运用岩石破裂与失稳过程分析RFPA2D系统, 对滑动形成过程进行了数值模拟研究。滑动岩体似为非均匀弹 -脆岩石材料, 模拟结果再现了滑动形成从变形到破坏直至失稳的全过程及其声发射规律。     

水力压裂多裂缝起裂射孔参数优化研究

针对复杂地质近井筒多裂缝起裂的难题, 结合岩体力学与损伤力学相关理论, 建立了近井筒地层流固——损伤力学模型, 采用数值求解获得了射孔壁面的应力及损伤状态, 计算表明:初始地应力最小值越小, 地层的起裂压力越低;射孔方位角越小, 起裂压力越低. 随着射孔方位角增大, 近井筒微裂缝为45° 夹角的拐折裂缝, 起裂压力增大, 基于此, 对于正断层及顺滑断层地应力类型, 取射孔方位角小于30°, 螺旋射孔夹角30°或45°, 对于逆断层地应力类型, 螺旋射孔夹角取45°, 可有效地实现多裂缝起裂.     

板料三维成形过程的有限元数值模拟

基于有限变形理论建立了三维金属板料成形过程的刚塑性有限元数学模拟,该数学模型采用物质坐标系中的Ｕｐｄａｔｅ－Ｌａｇｒａｎｇｅ描述,等向强化假设,考虑了板料的厚向异性,对于金属板料与模具有摩擦采用近似的库仑摩擦定律以改善计算的收敛性。为简经计算采用薄膜单元,并根据此模型编制程序。     

裂缝介质渗流多尺度混合有限元数值模拟研究

针对裂缝介质具有多尺度特点,建立了Darcy/Stokes-Brinkman多尺度耦合模型,采用多尺度混合有限元方法,对裂缝介质渗流问题进行了研究.阐述了多尺度混合有限元方法的基本原理,并推导得到Darcy/Stokes-Brinkman方程的多尺度混合有限元计算格式.数值计算结果表明,大尺度Darcy模型能够捕捉到小尺度上裂缝网络渗流特征;与网格粗化、传统有限元方法相比,多尺度混合有限元方法的基函数具有能反映单元内参数变化的优点,在保证计算精度的同时能够减少计算量,对于裂缝油藏具有良好的适用性.     

微重力环境下Marangoni对流的有限元数值模拟

本文以悬浮区为背景研究液桥中气液交界面上由表面张力所驱动的流体对流。我们采用有限元方法对轴对称、定常运动方程,能量方程,自由面切向、法向应力平衡条件迭代求解,首次考虑了边界形状的影响,得到了自洽的流区位形和流场、温度场、表面压强分布。一般说来,流区自由面呈弯月形。结果表明,只要表面张力数 C_a<1,静态平衡的流区位形就是动态情况的良好近似。本文还分析了C_a数及G_r 数对流区位形的影响,得到了不同 M_a 数及散热条件下的温度场和流函数分布。     

岩石弹塑性破裂过程的数值模拟研究

分析了对于非均质、非连续且材料参数分布具有分散性和随机性的岩体介质,采用传统有限元法解决其工程问题的局限性．阐述了用岩石力学性质的分布特性来描述岩石材料不均匀性,并用蒙特卡洛模拟方法,将符合Weibull分布规律的材料参数赋予岩体结构中的各个单元体,进而用计算机进行数值模拟的研究方法．应用了在Windows95环境下利用FORTRAN Power Station4．0平台开发的具有可视性的“岩石弹塑性破裂过程分析”软件——REPFPA软件,对典型的岩石试样和巷道模型的弹塑性破裂过程进行数值模拟研究,得到了有价值的实验结果．证明把材料参数随机赋值方法引入到岩土类材料的弹塑性破裂过程分析中去,并用计算机进行数值模拟是研究岩石弹塑性破裂过程的一种有效方法。     

界面裂纹的路径选择与数值模拟

利用界面断裂能和荷载混合度的概念研究界面裂纹的扩展路径，利用有限元数值方法模拟界面裂纹的扩展过程，再现界面断裂的各种几何构型．研究表明，界面的断裂能和混合度完全控制了裂纹在界面附近的扩展过程．数值预测的裂纹路径与理论结果一致     

工程因素对围岩稳定性影响三维数值模拟分析

结合某地下工程实际,运用FLAC^3D模拟了巷道断面形状、开挖面距离以及开挖顺序对巷道围岩稳定性的影响,并模拟了围岩深部多点位移规律。结果表明,相同围岩条件下,不同断面形状其力学效应不同,同一断面在不同围岩条件下变形不一样;围岩水平位移曲线随开挖面的距离呈“S”形,围岩水平最大位移主要发生在距开挖面后方 2倍巷道长径的范围内;Ⅲ级围岩深部位移影响范围约 2 .8～ 4 .3m,Ⅳ级围岩影响范围 6 .9～ 7.8m;对较大断面,分步开挖有利于围岩控制。     

基于SPH方法粒子射流破岩数值模拟与实验研究

钻井液中加入体积分数为1%~3%的钢质粒子在钻头喷嘴处高速喷出冲击岩石,实现了粒子射流冲击和钻头机械联合破岩,有效提高了破岩效率。利用瞬态非线性动力学有限元模拟软件,基于光滑粒子流体动力学(smoothed particle hydrodynamics,SPH)方法,考虑流体对粒子射流冲击的影响,建立了粒子射流冲击破岩的物理模型,获得了粒子射流参数对破岩体积的影响规律,进行了室内实验验证,验证了SPH方法的有效性。结果表明:粒子射流冲击岩石表面形成规则的V型冲击坑;同条件下粒子射流破岩体积是水射流破岩体积的2~4倍;随着粒子射流冲蚀时间的增加,粒子射流破岩体积不断增加,但破岩效率降低;粒子射流压力大于10 MPa后,粒子射流破岩效率迅速增大;喷射角度大于6°后,破岩效率迅速减小。     

弹体贯穿钢筋混凝土数值模拟

详细描述了依据损伤原理建立的连续损伤模型,并对该模型进行了改进。在LS DYNA程序用户自定义材料模型中加入改进的连续损伤模型,并对弹体侵彻钢筋混凝土的穿孔过程进行了数值模拟,其结果与实验结果相吻合,模型可以用于钢筋混凝土的动态破坏预报。     

石灰岩冲击损伤实验与破碎特性研究

利用一级轻气炮对石灰岩试件进行冲击损伤实验,采用锰铜压力计对冲击波作用过程进行压力测试,对冲击后的试件进行声波探测和剖切观察,研究石灰岩冲击损伤与破碎特征。实验与分析结果表明,在飞片直径小于试件直径、试件自由面条件较好、碰撞压力在1~1.7 GPa的实验条件下,岩石试件的冲击损伤存在头部核心区、环状裂隙区、中部损伤区、底部破坏区的分区特性,且各区的损伤原理不同。软回收装置为试件的侧向和底部创造了良好的自由面条件,以致拉应力对岩石损伤起到了主导作用。最后用有限元软件LS-DYNA对岩石冲击过程进行数值模拟,分析岩石试件的冲击损伤作用,验证了实验结果的正确性。     

NUMERICAL SIMULATION STUDY ON ROCK BREAKING MECHANISM AND PROCESS UNDER HIGH PRESSURE WATER JET

The numerical simulation method to study rock breaking process and mechanism under high pressure water jet was developed with the continuous mechanics and the FEM theory. The rock damage model and the damage-coupling model suited to analyze the whole process of water jet breaking rock were established with continuum damage mechanics and micro damage mechanics. The numerical results show the dynamic response of rock under water jet and the evolvement of hydrodynamic characteristic of jet during rock breaking is close to reality, and indicates that the body of rock damage and breakage under the general continual jet occurs within several milliseconds, the main damage form is tensile damage caused by rock unload and jet impact, and the evolvement of rock damage shows a step-change trend. On the whole, the numerical results can agree with experimental conclusions, which manifest that the analytical method is feasible and can be applied to guide the research and application of jet breaking rock theory.     

爆炸荷载下岩石破坏的数值流形方法模拟

为了更好地利用数值流形方法对动力学问题进行分析,在对原数值流形方法中的动力学问题求解思想进行分析的基础上,采用动力有限元方法中的Newmark法对该算法进行了改进。改进后的数值流形方法与原来相比具有三个明显的优势：（1）当选择合适的参数后,该方法能够保证解的无条件收敛;（2）可以采用比原算法大得多的时间步长;（3）充分考虑了动力学问题中的阻尼效应。最后通过一个算例说明了改进后的数值流形方法能够很好地模拟岩石在冲击载荷作用下破坏的全过程,克服了有限元法不能模拟岩石破坏后块体运动情况的不足。     

轮廓爆破下柱状节理岩体开裂过程的数值模拟

以白鹤滩水电站柱状节理玄武岩为研究对象,根据现场的柱状节理分布统计资料生成数值模型,模拟边坡开挖轮廓爆破下柱状节理岩体的开裂过程。结果表明：轮廓爆破时,柱状节理面对岩体裂纹的发展起着导向和控制作用;爆炸荷载作用下炮孔周围的节理面首先张开,然后裂缝沿着炮孔连心线附近的节理面扩展,最后形成贯通的由大量柱状节理面连接而成的裂缝;预裂爆破条件下,预裂缝宽度先增大后减少,最后达到稳定的开度,而且预裂爆破在柱状节理岩体中产生的裂纹范围比光面爆破产生的大。

     

岩石双孔爆破过程的流形元法模拟

在流形元基本理论基础上,引入断裂力学的裂纹产生及扩展判据,应用二阶流形元对岩石双孔爆破过程进行了研究,模拟了双孔同时起爆和毫秒延时起爆两种条件下裂纹的产生和扩展、块体的形成以及漏斗形成过程,分析了爆炸载荷作用下岩石的破坏规律以及起爆条件对该过程的影响,验证了流形元法在研究冲击载荷作用下岩石从连续体到不连续体破坏过程的准确性和有效性,为研究类似问题提供一个新的思路和方法。     

An experimental study of rock compression shear fracture nucleus

This paper presents the research results concerning the microcracking zone near the notch tip in rock by compressive shear fracture specimen. By the white light speckles method, photoelastic coating test and microscopic observation on rock slices, it is has been found that the said microcracking zone is of asymmetric mulberry leaf shape and the rock grains in the zone are broken so as to form many cracks. In addition, a full field displacement pattern is obtained. The tests also demonstrate that the principal fracture plane of the rock in the compressive shear state is to propagate along the boundary plane of the microcracking zone. Finally, this paper gives a shape equation which describes the microcracking zone, of fracture nucleus for the rock under compression and shear.The project Supported by National Natural Science Foundation of ChinaThe engineers involved in this projcet are Shao-Ping Gong, Shan-Yu Zhang, Xiang-Gui Long, Zhi-Jun Li, Cui-Yun Zhou, Chun-Ming Hu, Zhong-Jian Chen and Ru-Qiang Zhang.     

岩石爆破开挖诱发振动的等效模拟方法

岩石爆破开挖过程中爆炸荷载的复杂性、岩石介质模型的多变性、本构方程的多样性、以及群孔爆破模拟计算工作量巨大等诸多因素使得准确模拟爆破诱发的围岩振动存在较大的困难,鉴于此提出一种等效数值模拟方法。根据爆破过程炮孔周围岩石破坏范围的空间分布特征,确定群孔起爆条件下爆炸荷载作用的等效弹性边界;通过分析炸药起爆后炮孔空腔动力膨胀、岩体裂纹扩展、炮孔堵塞物运动以及爆生气体的逸出,计算了等效边界上沿炮孔轴向变化的爆炸荷载。结合瀑布沟水电站1# 尾水隧洞爆破开挖监测,基于动力有限元法运用该等效技术模拟了围岩的质点振动速度。数值模拟与现场实测数据的对比表明该等效模拟技术用于岩石爆破开挖围岩响应的计算是合适的。计算结果同时还显示,等效边界邻近岩体力学参数的选取对计算结果有重要影响。