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。     

三维不连续变形分析理论及其在岩质边坡工程中的应用

 三维非连续变形分析主要包括3个关键问题：块体系统的拓扑识别问题;单个块体(刚体或变形体)运动方程建立与求解;伴随着块体运动和变形,块体间的接触关系需要不断地判别和更新。针对这3个关键问题,从代数拓扑中单纯形及单纯复合形的概念出发,依靠边界算子来生成三维空间块体的几何识别算法,采用Euler-Poincaré公式来确保块体搜索的准确性;利用单纯形积分来获得块体物理特征量的解析解;在一阶位移模式下,按照最小势能原理建立三维块体系统非连续变形分析的总体平衡方程;针对岩体工程破坏特点,提出面–面接触模型,并在此基础上采用强度折减法来计算岩质边坡的安全系数。由简单楔形体破坏算例可知,三维DDA能够解决由传统极限平衡方法假定条件带来的问题,能够正确计算楔形体破坏的抗滑安全系数。通过工程边坡算例可知,采用三维非连续变形分析方法来研究岩体边坡稳定问题,既能深入理解岩质边坡的破坏机制,又能方便地确定临界滑动块体位置、体积、滑动方向以及相应支护方式等;同时,鉴于DDA方法能够精确地求解切向滑动力,结合强度折减法能够获得比较合理的安全系数。     

岩石力学离散单元计算方法中的若干问题探讨

对节理岩体中以离散的块体单元为计算模型的离散单元计算方法中的一些常遇到的问题和难点,进行了较深入的讨论,主要涉及到离散单元计算方法的各种算法及特点、块体的变形问题和块体之间的叠合、方程求解问题特别是单个块体求解与整体方程求解的内在关系、接触检索问题包括三维块体的接触检索等方面,指出了一些问题上的不足,提出了建议,并得到了一些有益的结论。     

梁体系机构运动和弹性变形问题分析力学解法

建立了梁体系的分析动力学模型,解决其机构运动与弹性变形混合问题,采用混合坐标描述梁单元的刚体运动和弹性变形,欧拉四元数表达其空间姿态坐标系,推导了体系的动力学控制方程和约束方程,算例表明：该方法可以有效地跟踪求解梁体系机构运动的路径。     

三维非连续变形分析方法的研究

 博士学位论文摘要　块体系统非连续变形分析(DDA ) 是在近年来才发展起来的一种新的数值计算方法。它在满足弹性理论基本方程条件下能够反映出岩体变形的不连续性, 既具有有限元理论基础的严密性, 又具有离散元法可计算块体大位移的特点, 具有广泛的应用前景。目前三维非连续变形分析方法的研究尚在初步阶段, 本文从最小势能原理出发建立了三维DDA 正分析模型, 重点讨论了三维块体系统中几种主要接触形式, 编制了相应的DDA 程序。主要内容包括:(1) 在一定的线性位移模式下, 按最小势能原理形成三维块体系统非连续变形分析总体平衡方程, 详细推导了弹性子矩阵、惯性子矩阵、荷载子矩阵和接触子矩阵, 建立了块体系统正分析模型。(2) 块体间高效而正确的接触判断, 是实现三维DDA 法计算的关键。本文采用分格检索技术搜索相邻块体, 利用公共面判断块体接触类型, 较之直接检查法节约了机时, 提高了计算效率。(3) 重点讨论了三维块体的角2面、边2面和面2面接触模型, 并用矢量方法和罚函数法进行了详细的理论推导, 给出了接触子矩阵的表达式。(4) 证明了三维DDA 正分析方程的可解性, 给出了适合三维DDA 总刚矩阵的特点非零存贮图解法、分块高斯2塞德尔迭代法和预处理共轭斜量法, 并编制了相应算法程序。(5) 对一般二维块体和三维块体的单纯形积分法作了改进, 使得三维块体面荷载的处理更加方便。(6) 提出了三维非连续变形分析方法中锚杆的简化模型, 探讨了锚杆的加固机理。(7) 编制了三维DDA 正分析程序, 并利用多个算例对程序进行了考察, 从计算后的块体形态和理论值与计算值结果的对比来看, 模拟结果和实际情况比较吻合。     

三维块体离散元可变形计算方法研究

 在三维刚性块体离散元的基础上,研究可变形块体离散元方法,并编制相应的可变形块体离散元程序。该方法把块体单元看作弹性体,并对其划分有限元网格,对每个可变形单元的计算是假设在力边界条件下求解可变形单元的节点位移;可变形块体之间力和位移的传递是通过构筑的节理单元实现的,节理单元反应岩土工程中实际节理的变形性质和强度特征,结构面破坏前,体现了连续介质计算方法的特点,结构面如果发生破坏,预设节理处的节理单元直接转变化为法向和切向弹簧,体现了离散元计算方法的特点。另外,节理单元有实际的厚度,可以根据实际节理的性质确定计算参数,这一点也体现出了对刚性块体离散元方法的改进。与刚性块体离散元方法比较,该方法可以反映岩体变形性质,如泊松效应、三维岩体中的真实波速,它还可以模拟结构面的破坏演化过程;与有限元方法比较,它可以更好地描述岩体中节理的特征,允许单元有较大的位移;相对于以前的可变性离散元方法,它既克服了有限差分格式带来计算上的复杂,又建立在三维模型的基础上,为有关岩土工程的数值分析提供了一个可行的数值方法。     

剪切型结构地震响应的多刚体离散分析方法

本文将多刚体系统动力学理论应用于剪切型结构的地震响应分析中，建立了剪切型结构的多刚体离散模型，导出了求解剪切型结构地震响应的动力学方程，指出这一方程具有与传统变形体有限元方法相类似的形式，可用一般的数值方法（本文采用Ｗｉｌｓｏｎ－θ法）求解。据此，本文编制了剪切型结构地震响应的分析程序，以实际震害中倒塌的两栋钢筋砼框架结构房屋为例进行了非线性时程分析，计算结果与震害一致。初步的研究表明，多刚体离散分析方法在建筑结构地震响应的分析中具有良好的应用前景。     

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。     

刚体离散元动力方法在基于位移的岩坡地震响应分析中的应用

当前岩坡地震动力响应分析中,多采用极限平衡方法分析拟静力安全系数,采用Newmark滑块分析动力永久位移,假设较多,工程实用性受限。将刚体离散元方法引入岩坡地震动力稳定性评价工作中。通过与强度折减法、Newmark法中的永久位移评价相结合,提出一种复杂岩坡静动力稳定性分析方法。初步认识表明:(1)采用极大节理刚度可以减少节理刚度带来的弹性接触位移,使得刚体离散元用于求解岩坡楔形块体的静/动力稳定性问题。(2)刚体离散元强度折减法可以无需假设块体运动方向或假定滑动形式,直接求解获取安全系数、下滑力等结果,可以考虑复杂形状块体,相比传统方法更具优势和实用性。(3)与4个经典静力算例与3个动力算例的对比验证,表明提出的刚体离散元方法及程序实现的正确性。(4)采用提出的方法,研究幅值、节理面交线倾角等参数对岩坡地震响应永久位移的影响规律研究,表明刚体离散元方法可以根据参数变化得到正确的得到相应的结果变化规律。且对比发现在某些特定条件下拟静力安全系数不能正确反映岩坡地震响应的陡增程度。(5)在工程实例中,采用刚体离散元方法进行K1块体基于位移的地震稳定性评价,给出基于超越概率的支护设计方案。相比拟静力安全系数设计方案,在满足使用条件的前提下优化程度更高。研究可为岩坡静动力稳定性分析提供一种新的思路。     

三维离散单元法及其应用

 博士学位论文摘要　系统深入地研究了三维离散单元法的基本原理和数值解算方法, 在改进和推广了现有算法的基础上, 自行编制了相应的C 语言程序。采用投影方法求解接触力的作用点和作用面积, 提高了接触计算的精度和速度。用矢量方法推导了三维动态松弛离散元法的理论公式, 为程序编写提供了方便; 同时, 对阻尼和时步采取自动调节技术, 较好地解决了块体间的侵入问题。首次研究了三维静态松弛的离散单元法, 给出了详细的理论推导, 并与动态松弛法相耦合, 克服了两者的缺点; 通过算例的比较, 发现静态方法比动态方法具有更高的效率。提出了三维离散元法中地下水和锚杆的模拟方法, 认为地下水可能诱发滑坡, 锚杆通过悬吊和销接作用对块体产生锚固力。探讨了三维离散元法的数据结构, 提出了地下水、锚杆、边界力等数据的组织方法。论述了三维离散元法的程序编制方法和特点, 分别开发了动态和静态松弛法的C 语言程序。对海冰撞击钻井平台、杨家槽滑坡和长壁工作面覆岩运动规律进行了计算, 从计算后的块体系统变形形态来看, 模拟结果与实际情况大致吻合。     

3D mode discrete element method with the elastoplastic model

The three-dimensional mode-deformable discrete element method (3MDEM) is an extended distinct element approach under the assumptions of small strain, finite displacement, and finite rotation of blocks. The deformation of blocks is expressed by the combination of the deformation modes in 3MDEM. In this paper, the elastoplastic constitutive relationship of blocks is implemented on the 3MDEM platform to simulate the integrated process from elasticity to plasticity and finally to fracture. To overcome the shortcomings of the conventional criterion for contact fracturing, a new criterion based on plastic strain is introduced. This approach is verified by two numerical examples. Finally, a cantilever beam is simulated as a comprehensive case study, which went through elastic, elastoplastic, and discontinuous fracture stages.     

动力分析的块体单元法(英文)

介绍了阶谱块体单元法的基本理论和应用,提出了动力分析的块体单元法表述公式。首先,简要回顾了块体单元法的发展历程,阐释了"覆盖"的新概念,介绍了块体单元法的静力平衡方程组,应用p型有限元法的形函数,将块体的位移场表达成为所谓的广义自由度的函数.然后,给出了广义质量矩阵、广义刚度矩阵和广义阻尼矩阵的具体表达式,通过它们将分布于块体内部的与时间有关的广义弹簧力、广义惯性力和广义阻尼力分别转移到覆盖单元的结点上.随后,基于虚功原理、变形协调条件和本构关系,推导了块体动力系统的控制方程组.最后,研究了一个简单算例,将计算结果和解析解进行了对比,对比结果说明了所提出方法的正确性和有效性.     

Rotation errors in numerical manifold method and a correction based on large deformation theory

Numerical manifold method (NMM) is an effective method for simulating block system, however, significant errors are found in its simulation of rotation problems. Three kinds of errors, as volume expansion, stress vibration, and attenuation of angular velocity, were observed in the original NMM. The first two kind errors are owing to the small deformation assumption and the last one is due to the numerical damping. A large deformation NMM is proposed based on large deformation theory. In this method, the governing equation is derived using Green strain, the large deformation iteration and the open-close iteration are combined, and an updating strategy is proposed. The proposed method is used to analyze block rotation, beam bending, and rock falling problems and the results prove that all three kinds of errors are eliminated in this method.     

基于近似Woodbury公式的梁单元几何大变形分析

工程结构发生材料非线性时，往往伴随着几何大变形行为。而在非线性分析过程中，刚度矩阵的分解和求逆是不可避免的。该文将隔离非线性有限元法嵌入到更新拉格朗日格式中，建立了考虑材料非线性和几何大变形行为的梁单元控制方程。为了实现控制方程的高效求解，提出了近似Woodbury公式，其核心思想是：与舒尔补矩阵相关的线性方程组采用组合近似法求解，实时变化的整体刚度矩阵被假定在一段时间内保持不变，从而避免矩阵的实时更新和分解，拓宽了Woodbury公式的应用范围。依据时间复杂度分析，对该文方法进行了效率评估。结果表明：对于结构出现大范围材料非线性时的几何大变形问题，近似Woodbury公式依然具有高效性；通过对某钢筋混凝土框架结构进行地震反应分析，论证了该文方法在满足工程精度要求的前提下，能够高效求解结构出现大范围材料非线性时的几何大变形问题。     

基于直接法节理网络模拟的三维离散单元法计算

将直接法产生的节理网络模拟技术与三维离散元程序3DEC相结合，对结构控制型的工程围岩破坏问题提供了一种实用的方法。在硬岩中的较浅的工程开挖，岩体的破坏很大程度上是由结构面控制。因此，对优势的节理组的正确解译非常重要。直接法节理网络模拟技术对于正确识别岩体中的块体分布非常有效，其可以通过3DEC内置的FISH语言实现。最后给出了实例以说明求解过程与结果。     

三维块体接触判断方法的分析与改进

非连续变形分析方法和离散单元法都是可以计算非连续介质大位移问题的数值方法，目前在二维问题的计算中应用较多，但在工程实际问题的计算中还未能得到广泛应用，因为实际的工程问题如岩体结构都是三维问题。而在计算三维问题时存在一个困难，就是难以快速、准确地判断块体之间的接触类型。对已有的3种接触判断方法尤其是其中已用于实际计算的公共面法、侵入边法进行分析，指出各种方法在进行接触判断时存在的问题。同时在综合已有方法优点的基础上，给出建立正确接触判断方法的原则并提出切割体法。2个算例的计算结果表明，该方法的确有效地解决了已有方法存在的问题，能够正确判断三维块体之间的接触关系，从而模拟块体之间的错动滑移过程。