三维模态变形体离散元方法

本文针对小应变、大位移和大转动的块体系统建立了三维模态变形体离散元数值模型(3MDEM)。首先推导了包含块体刚体运动和变形的整体运动和变形方程,同时提出了在小变形条件下,变形块体的运动可以分解为块体刚体运动和变形的叠加,从而分别推导出刚体平移、转动和变形的方程,并用变形模态分解块体的变形模式。和一般的离散元方法相同,本文模型也采用了显式的时步步进求解格式,适用于求解非连续、大变形及动力问题。该模型克服了三维变形体离散元(3DEM)需要对块体内部细分网格导致计算量急剧上升的缺点,具有高效、仿真和可变形的特点。一系列算例表明:本文模型在小变形以及连续介质力学领域可以给出和有限元相媲美的应力和位移结果,而在大变形、大位移的强非线性领域可以给出与3DEM相媲美的计算结果,并具有良好的数值稳定性。     

Numerical Analyses on Progressive Failure of Slope Due to Heavy Rain with 2D and 3D FEM

In the paper, based on a modified elastoplastic model with Matsuoka-Nakai failure criterion, two-dimensional (2D) and three-dimensional (3D) soil-water coupled finite element analyses are conducted to investigate a large-scale failure in a soft-rock slope due to heavy rain. Since the failure of the slope was a typical three-dimensional event, it is necessary to estimate the accuracy of 2D analysis that can be easily and commonly used in geotechnical engineering. The characteristics of slope failure, such as the development of shear strain, the deformation of ground, the propagation of shear band and the progressive failure are discussed in detail with 2D and 3D analyses. The differences between 2D and 3D analyses are carefully investigated. It is found that both 2D and 3D soil-water coupled analyses based on the modified elastoplastic model can simulate the progressive failure of a slope.     

岩体次级结构模拟的材料力方法及有限元实现与应用

 针对现有岩体次级结构模拟的等效方法和直接离散方法存在的缺点,从复合材料力学的角度出发,提出次级结构模拟的材料力方法。该方法中,岩石被看成基质,次级结构被看成夹杂。次级结构的力学效果以由本征应变产生的材料力得以体现。在分析计算弹塑性力学实质的基础上,以有限元方法为数值平台,通过提出双重网格法将材料力方法融合于弹塑性有限元分析中。与等效连续介质力学方法相比,材料力方法不仅可以考虑次级结构与岩石变形性质的差异,同时还可以考虑次级结构与岩石强度性质的差异;与直接离散的数值模拟方法相比,材料力方法的子域积分网格完全独立于有限元网格,因此它可降低分析域前处理离散的困难。另外,弹塑性有限元与材料力方法具有相同的实质——逐步求取本征应变引起的材料力。因此,材料力方法在保证原有有限元方程规模不变的前提下尽可能将额外计算开销极小化。2个算例表明材料力方法的有效性和可行性。     

乌东德拱坝坝肩三维抗滑稳定分析

 基于非线性有限元分析,采用三维有限差分程序FLAC3D,对乌东德拱坝联合坝肩岩体进行三维弹塑性数值模拟。由拱座岩体内不连续裂隙产状确定9个可能滑动楔块。将有限元计算的应力值通过插值转移到楔块滑面上,以滑面内短小裂隙建议连通率为依据折减滑面抗剪强度,采用三维矢量和法计算楔块安全系数。弹塑性计算结果表明,坝肩岩体在荷载条件下位移、应力分布基本对称河谷,但是受近坝断层F15,f42及K25岩溶系统影响,右坝肩受影响范围略大于左岸。正常蓄水条件下9个楔块具有较高的安全裕度,温升荷载导致大部分楔块稳定性降低,温降荷载主要对右坝肩稳定不利。地震荷载条件下,所有楔块稳定性大幅降低,平均降低30%,最大降低53.9%,坝肩岩体整体仍能保持稳定。     

基于Hoek-Brown准则的开挖扰动引起围岩变形特性研究

 Hoek-Brown经验准则(2002版)考虑施工扰动对岩体参数劣化效应,并提出扰动系数D,但仅为粗略定性化描述。现应用声波测试法获得的岩体波速降l对扰动系数D进行优化处理,并将优化后的Hoek-Brown经验准则运用于开挖扰动引起岩体弹塑性变形特征方程的求解研究,进而可实现较精确表示围岩塑性圈半径。为验证该理论的合理性,综合运用声波测试法、位移监测法等监测手段及有限元数值模拟法予以对比分析。此外,考虑开挖扰动变形特征场地效应,提出可拟合不同岩性、不同开挖方式的变形与开挖扰动经验公式。工程实例计算结果表明：对Hoek-Brown经验准则(2002版)扰动系数D的优化合理,用其可计算开挖扰动引起的围岩弹塑性变形特征值。并可准确求得塑性圈半径值,同时,拟合得到变形与开挖扰动经验公式可满足不同工程需要,具有一定合理性。所获结果可为Hoek-Brown经验准则(2002版)及地下洞室开挖扰动引起岩体变形特性研究提供一定方法参考。     

不平衡推力法的弹塑性有限元改进

结合杭金衢高速公路K111碎石土滑坡工程实例,研究如何使极限平衡法与有限元法有机结合应用于边坡稳定性计算和分析中,以及碎石土边坡稳定性系数与滑动面抗剪强度发挥程度的关系。研究结果表明,可以采用弹塑性有限元边坡稳定性极限分析法,得到边坡接近破坏状态时滑坡体的塑性变形破坏区,然后据此确定边坡的滑动面;通过野外工程地质勘探揭示,该法确定的潜在滑动面与实际滑动面基本相符;可根据极限状态下塑性应变值的大小确定滑面带上不同抗剪强度取值段,采用全面考虑滑面上岩土体抗剪强度不同发挥程度的不平衡推力法计算碎石土边坡的稳定性系数;采用该方法进行碎石土边坡稳定性分析能更加真实地反映边坡所处的实际状态。     

离岸深水全直桩码头承载特性与简化计算方法

全直桩码头是一种新型高桩码头结构型式，在离岸深水海域得到越来越广泛的应用。该结构的承载机理、破坏模式及设计计算方法等与传统高桩码头结构存在较大差异，目前研究尚不完善。采用ABAQUS建立全直桩码头结构-地基相互作用三维弹塑性有限元模型，研究水平荷载作用下码头的承载变形特性及破坏模式。明确了对于水平荷载作用下的离岸深水全直桩码头，基桩的塑性破坏是结构失稳的控制因素，地基土体的承载力对结构水平极限承载力不起决定性作用。在此基础上，采用经典的P-y曲线，建立了全直桩码头水平向承载力简化计算方法。该方法可以计算出桩身任意位置的内力及变形，且适于大、小位移情况。并提出了以“塑性铰”作为简化计算方法中水平极限承载力的判断标准。通过与有限元计算结果进行对比，验证了所建立简化计算方法的正确性。     

岩体断续节理受压剪荷载的弹塑性分析

运用弹塑性断裂力学的裂纹线场分析方法，将描述岩体材料破坏特性的摩尔－库仑准则，列入求解岩体内节理断裂问题的基本方程中，对节理裂隙在压剪荷载下进行求解，利出了节理线附近的弹塑性区应务场。通过弹塑性场在其边界上的匹配条件，得出了节理线上塑性区长度与压剪荷载的关系，以及节理扩展破坏准则。     

深部软岩工程大变形力学分析设计系统

采用飞箭软件公司的有限元程序自动生成系统作为软件开发平台，进行“深部软岩工程大变形力学分析设计系统”的合作开发工作。该软件系统具有如下特色：（1）以和分解有限变形力学分析模型为主体，包括极分解力学分析模型供用户进行对比分析；（2）强调非线性大变形力学设计特色：力学对策设计、过程设计和参数设计；（3）包括多种岩土材料本构模型和工程材料单元，可以进行边坡工程、地基工程、地下洞室工程等大变形力学分析；（4）具有我国自主知识产权。目前该软件的弹性、弹塑性大变形二维计算程序和界面已经开发完成。通过对典型算例的弹性数值分析，验证大变形程序的正确性。该软件系统的问世，可为深部软岩巷道等岩体大变形力学问题提供具有分析和设计功能的数值分析软件系统。     

Mode III fracture of a large-scale welded extruded aluminum panel

As part of the research on deformation and fracture of the large-scale welded thin-walled AA 6061 panels, this paper presents the experimental and numerical investigation on its fracture under Mode III loading. The proposed local fracture approach is applied by incorporating the calibrated damage input data into the finite element model. The investigations demonstrate that the present finite element model can successfully predict the global force–deflection response, the deformation modes, as well as the crack formation and propagation, in this quite sophisticated problem involving welded joints.     

岩质边坡的仿真模型和稳定准则

本文分为三大部份:第一部份,从几何、材料和应力状态三方面特性的模拟建立了反映多介质、具有软弱面岩体结构和弹塑性断裂材料的力学行为的分区混合有限元模型(它是由位移元、杂交混合元、广义夹层元和无限元组成的),并提出了非线性混合元的分析方法;第二部份是在上述仿真模型的基础上,从应力、变形和能量三个角度提出了新的稳定分析判据,并导出了相应的系统分析方法;文中的最后部份,是以某大型高拱坝坝肩稳定分析的数值实例说明本文理论的应用及获得结果的合理性。     

New approaches to quantify progressive damage and associated dynamic rock mass blockiness

In the past decade, numerical modelling has been increasingly used for simulating the mechanical behaviour of naturally fractured rock masses. In this paper, we introduce new algorithms for spatial and temporal analyses of newly generated fractures and blocks using an integrated discrete fracture network (DFN)-finite-discrete element method (FDEM) (DFN-FDEM) modelling approach. A fracture line calculator and analysis technique (i.e. discrete element method (DEM) fracture analysis, DEMFA) calculates the geometrical aspects of induced fractures using a dilation criterion. The resultant two-dimensional (2D) blocks are then identified and characterised using a graph structure. Block tracking trees allow track of newly generated blocks across timesteps and to analyse progressive breakage of these blocks into smaller blocks. Fracture statistics (number and total length of initial and induced fractures) are then related to the block forming processes to investigate damage evolution. The combination of various proposed methodologies together across various stages of modelling processes provides new insights to investigate the dependency of structure's resistance on the initial fracture configuration.     

碎石土古滑坡稳定性分析

为准确评价碎石土古滑坡稳定性,通过资料的搜集整理和分析、现场工程地质调查与勘探以及室内外的物理力学试验,采用三维大变形弹塑性接触有限元算法、数理统计分析法和不平衡推力法,结合柘州岭碎石土古滑坡工程实例,运用碎石土边坡地下水管网状排泄系统理论,分析降雨作用下碎石土古滑坡的复活解体破坏过程,计算和分析该类型滑坡稳定性。同时,结合其他工程实例,对弹塑性接触有限元算法在碎石土滑坡稳定性分析中的适用性进行研究。研究结果表明：采用考虑降雨作用的大变形弹塑性接触有限元算法可以考虑滑坡体的空间效应,较好地反映碎石土古滑坡在降雨作用下所处的实际状态及其复活破坏过程;对于浅层、中深层碎石土滑坡和复活碎石土古滑坡,分别采用二维、三维小变形和三维大变形弹塑性接触有限元算法分析相应类型滑坡的稳定性,可以得到符合实际、令人满意的计算结果。     

土体结构极限承载力的有限元分析

 在平面应变条件下,采用增量加载有限元方法求解土体结构的极限承载力,以弹塑性有限元计算不收敛作为达到极限破坏状态的判别标准;在得到土体应力场的基础上,用有限元边坡稳定分析中的滑面应力分析法验算土体结构在达到极限破坏状态时安全系数是否趋近于1.0,同时搜索相应的临界滑动面,与增量加载直到土体结构破坏获得的滑动面比较,并分析二者与经典Prandtl解破坏机构的差异。计算结果表明：屈服准则的选取对计算结果的影响很大,对于无自重的边坡和地基,在非关联流动法则下采用 Mohr-Coulomb 匹配圆准则或者在关联流动法则下采用Mohr-Coulomb内切圆屈服准则时,所得到的结果与经典Prandtl解相近;但是在非关联流动法则下采用Mohr-Coulomb匹配圆准则得到的滑动面与经典Prandtl解破坏机构不一致,极限状态下的安全系数也不为1.0;在关联流动法则下采用Mohr-Coulomb 内切圆屈服准则时,其极限状态下的滑动面与有限元稳定分析方法搜索得到的滑动面相近,与经典Prandtl解破坏机构一致,同时在该极限荷载下土体结构沿临界滑动面的安全系数Fs趋近于1.0。对于有自重的边坡,同样在关联流动法则下采用Mohr-Coulomb内切圆屈服准则时,其极限状态下的滑动面与有限元稳定分析方法搜索得到的滑动面一致,在该极限荷载下土体结构沿临界滑动面的安全系数Fs趋近于1.0,说明此屈服准则下求得的极限承载力是土体结构严格意义上的真正的承载力。     

三维简单变形体离散元方法

针对小应变、大位移和大转动的块体系统提出了三维简单变形体离散元数值模型(3SDEM)。首先基于牛顿定理推导出了包含块体刚体运动和变形的整体运动和变形方程,同时提出了在小变形条件下,块体的运动和变形可分解为块体刚体运动和变形的叠加,从而分别推导出基于刚体平移、转动和变形的方程。此外针对块体的变形,3SDEM选取了几组简单的变形模态,将块体的变形用选定的变形模态来表示,并给出了各个变形模态互相解耦的条件。本模型采用了显式的时步步进的求解格式,因此是一种模拟不连续介质力学行为的有效数值分析方法,尤其适用于求解非连续、大变形以及动力问题。该模型克服了三维复杂变形体离散元(3DEC)需要对块体内部细分网格导致计算量急剧上升的缺点,具有高效、仿真和可变形的特点。算例表明:这种数值模型能够给出合理的结果,并具有良好数值稳定性。     

土体结构极限承载力的有限元分析

在平面应变条件下,采用增量加载有限元方法求解土体结构的极限承载力,以弹塑性有限元计算不收敛作为达到极限破坏状态的判别标准;在得到土体应力场的基础上,用有限元边坡稳定分析中的滑面应力分析法验算土体结构在达到极限破坏状态时安全系数是否趋近于1.0,同时搜索相应的临界滑动面,与增量加载直到土体结构破坏获得的滑动面比较,并分析二者与经典Prandtl解破坏机构的差异。计算结果表明：屈服准则的选取对计算结果的影响很大,对于无自重的边坡和地基,在非关联流动法则下采用Mohr-Coulomb匹配圆准则或者在关联流动法则下采用Mohr-Coulomb内切圆屈服准则时,所得到的结果与经典Prandtl解相近;但是在非关联流动法则下采用Mohr-Coulomb匹配圆准则得到的滑动面与经典Prandtl解破坏机构不一致,极限状态下的安全系数也不为1.0;在关联流动法则下采用Mohr-Coulomb内切圆屈服准则时,其极限状态下的滑动面与有限元稳定分析方法搜索得到的滑动面相近,与经典Prandtl解破坏机构一致,同时在该极限荷载下土体结构沿临界滑动面的安全系数Fs趋近于1.0。对于有自重的边坡,同样在关联流动法则下采用Mohr-Coulomb内切圆屈服准则时,其极限状态下的滑动面与有限元稳定分析方法搜索得到的滑动面一致,在该极限荷载下土体结构沿临界滑动面的安全系数Fs趋近于1.0,说明此屈服准则下求得的极限承载力是土体结构严格意义上的真正的承载力。     

水工结构接触问题的多体有限元法

针对水工结构中的局部接触问题,提出了一种新的数值分析方法—多体有限元法。基于DDA方法的分析思路,以结构面切割而成的块体作为分析单元,每一块体均可允许自身有独立的位移和变形,通过块体间的接触和几何关系形成一个完整的块体系统。块体内部采用有限元法求解,块体之间通过接触力相互联系,且在接触界面上引入变形协调条件,保证了多个块体互相接触作用时块体位移和应力状态的连续性,从而使得计算更加符合实际情况。该方法接触求解过程中无需指定法向刚度及切向刚度等参数,避免了DDA方法因引入刚性弹簧而出现的嵌入问题,同时提高了块体内部变形的求解精度。推导了多体有限元法求解接触问题的支配方程,并给出了其增量形式的定解条件和判定条件。最后通过3个数值算例验证了本文方法的正确性和有效性。     

Strain and stress relation until fracture for finite element simulations of a thin circular plate

This paper presents a true strain and stress relation for mild steel that is suitable for the implementation in finite element models. This true strain and stress relation is obtained from a series of tensile experiments with specimens of different length-per-breadth ratios. Unlike the engineering strain and stress relation, the true strain and stress relation is found to be independent of the specimen geometries tested. The use of optical measurements relates the true strain and stress to the finite element length because the strain reference length, being a function of the pixel size, is clearly defined. This true strain and stress relation is used to simulate a plate punching experiment until fracture with the finite element method. The measured element length-dependent failure strain is implemented as a constant strain failure criterion and its applicability is attained through the close triaxiality ranges at failure, both for the tensile and plate simulations.     

焊接空心球节点焊缝区拉裂和极限承载力分析

焊接节点受拉力作用易在焊缝区断裂,以焊接空心球节点为例在弹塑性非线性有限元分析基础上,分别采用等效塑性应变(EPS)准则和VC准则判断失效的材料单元,以模拟节点拉裂现象。由于球面焊趾处应力、应变集中显著,应力状态复杂,使得钢材脆性程度提高,加快破坏过程,建议采用VC准则反映应力状态对断裂的影响,确定节点的极限承载力。分析结果表明,在不考虑焊缝缺陷的情况下,EPS和VC准则计算的极限承载力数值相差仅3%左右,但是得到的断裂破坏进程不同。     

三维DDA与有限元的耦合分析方法及其应用

发展了三维不连续变形分析(DDA)与有限元(FEM)耦合计算的力学模型。通过对三维块体进行有限单元网格剖分,采用有限元法来求解块体内部的位移场及应力分布,块体边界之间的接触则采用DDA方法来模拟,基于最小势能原理建立了三维DDA-FEM耦合方法的总体平衡方程,并详细推导了接触矩阵的表达式。在此基础上编制了相应的计算程序并将其应用到混凝土基础与地基相互作用的变形分析。计算结果表明了该耦合方法的有效性。