等效裂隙岩体THM耦合并行有限元程序开发

 为了解决计算精度与计算时间之间的矛盾,针对三场耦合问题,根据区域分解策略,采用预处理共轭梯度法进行方程组的并行求解,利用mpi+f77编制主从式并行有限元计算程序,并在河海大学高性能计算机群上进行调试及计算,通过算例计算,显示并行计算可大幅节省计算时间,未来必会得到更广泛的应用。     

SAPTIS:结构多场仿真与非线性分析软件开发及应用(之三)

SAPTIS程序是以有限单元法为基本方法的仿真计算程序,本文通过对有限元并行化关键技术的讨论给出了SAPTIS程序的并行策略,介绍了SAPTIS软件方程组求解部分的三种并行化方式:(1)对原有PCG求解器基于OpenMP进行了较细粒度的并行化实现;(2)基于MPI环境对SAPTIS丰富了Krylov子空间类方法及多种预条件技术的并行求解器;(3)基于OpenMP环境丰富了稀疏直接解法的并行求解器。测试结果表明,三种并行化方案求解效率都很高,各有特色,丰富了SAPTIS的求解功能。此外,GPU求解功能也正在开发之中,这也将使SAPTIS程序的求解功能更强大,适用性更好。     

SAPTIS：结构多场仿真与非线性分析软件

SAPTIS程序是以有限单元法为基本方法的仿真计算程序,本文通过对有限元并行化关键技术的讨论给出了SAPTIS程序的并行策略,介绍了SAPTIS软件方程组求解部分的三种并行化方式：（1）对原有PCG求解器基于OpenMP进行了较细粒度的并行化实现;（2）基于MPI环境对SAPTIS丰富了Krylov子空间类方法及多种预条件技术的并行求解器;（3）基于OpenMP环境丰富了稀疏直接解法的并行求解器。测试结果表明,三种并行化方案求解效率都很高,各有特色,丰富了SAPTIS的求解功能。此外,GPU求解功能也正在开发之中,这也将使SAPTIS程序的求解功能更强大,适用性更好。     

计算结构可靠度快速实现与并行粗格子法

给出一次二阶矩法、蒙特卡洛法和粒子群算法求解可靠度的MATLAB简便程序.应用划分网格法与避免了维数灾的粗格子法求解几何可靠度;通过并行粗格子法求解可靠度时,将约束优化转化为无约束优化应用了外惩罚函数法.     

基于改进鲸鱼优化算法的重力坝变形参数反演

针对利用位移实测资料对大坝坝体和基岩的变形力学参数进行优化反演时存在效率低、精度差等问题,通过对鲸鱼优化算法进行并行化改进,并引入权重因子,结合有限元计算,提出一种基于改进鲸鱼优化算法的力学参数反演方法。利用该方法对某混凝土重力坝坝体和基岩弹性模量进行反演,并与粒子群算法的反演结果进行比较。结果表明:在相同迭代次数的情况下,改进的鲸鱼优化算法比粒子群算法耗时更少,且反演得到的坝体、基岩力学参数比粒子群算法得到的更为准确。表明利用多核处理器对该方法进行并行计算,可大幅度缩短计算时间。基于改进鲸鱼优化算法的力学参数反演方法具有搜索能力强、收敛速度快和精度高等特点,合理可行,可推广应用于混凝土拱坝等其他坝型的力学参数反演。     

基于GRU-WPA法的重力坝地基力学参数反演分析方法

利用位移实测资料对大坝地基力学参数进行反演时,常规反演算法存在收敛速度慢、精度差等问题。基于GRU神经网络代理模型和狼群算法,提出了一种新的反演方法GRU-WPA法,该方法在保证计算精度情况下能提高计算效率。将此方法应用于某碾压重力坝工程中的地基力学参数的反演,以典型断面中测点的观测数据为依据,反演分析寻优得到地基弹性模量,同时将反演弹性模量的有限元计算位移与实测位移相比较以分析精度,并与常规粒子群算法的反演分析结果进行对比。计算结果表明,GRU-WPA法计算速度更快,反演弹性模量有限元计算位移与实际位移的整体误差更小,表明GRU-WPA法在大坝地基力学参数反演分析中具有良好应用效果。     

粘弹性边界及地震动输入在 ABAQUS 中的实现

ABAQUS 有限元软件在水利工程中应用广泛,人工粘弹性边界和等效节点荷载法是水工构筑物地震动力响应分析的常用方法。基于 ABAQUS 计算内核,采用 Python 计算机语言编写了二次开发程序,实现了人工边界处各节点的弹簧、阻尼器及等效节点荷载自动设置的功能,并具体阐述了程序编译流程和关键要素。建立的典型 SV 波底面入射模型对程序的适用性进行了验证,结果表明地震波的传递及反射规律与理论解一致,程序合理可行。     

建筑工程土质高边坡稳定分析实例

在对某建筑工程的土质高边坡进行的稳定分析中,通过3种常用的极限平衡分析方法:瑞典法、毕肖普法、Janbu法计算稳定安全系数,并用有限元法进行校核。介绍了应用有限元法的应力结果计算下滑力和抗滑力的多种方法,针对nolm83岩土有限元计算程序,提出采用薄层单元模拟滑动面以得到精确下滑力及抗滑力的简便方法。     

地下洞室群面向对象有限元方法的探讨

以单元为代表类简单介绍了地下洞室群面向对象有限元程序。利用自编的面向对象有限元程序实现了开挖模拟,并分析某地下厂房的分步开挖变形问题,其结果与Phase2软件计算结果基本一致;实现了面向对象有限元处理动力响应的人工边界输入问题,验证了其正确性,并对该地下厂房的动力响应规律进行了探讨。结果表明:监测点响应存在一定的滞后性,且峰值的放大系数比无洞室作用下的理论解要大;在此基础上,分析了不同方法下的阻尼系数对地下洞室群动力响应的影响;验证了面向对象有限元方法应用在地下洞室群中的可行性和适用性。研究成果为进一步研究动态弹塑性情况奠定了基础。     

基于水岩耦合的面板堆石坝参数动态反演

针对面板堆石坝有限元模型参数的反演方法中存在的问题,特别是模型参数与实际工程条件的差异,基于混沌-粒子群算法,考虑蓄水后坝体受到的渗流及水岩耦合作用,构建面板堆石坝参数动态反演分析方法。根据面板堆石坝的实际工程特点,改进粒子群优化算法,将混沌融入到粒子运动过程中,使粒子群在混沌与稳定之间交替运动。基于大样本实测数据,借助Matlab软件工具箱编制了相应的程序,利用混沌粒子群算法进行参数动态反演分析。研究成果可以更好的为面板堆石坝的稳定性分析提供良好的参考依据,具有十分重要的应用价值。     

强度折减法改进及在边坡稳定性评价中的应用

传统有限元强度折减法在对岩土体强度参数进行折减时并未考虑其对变形参数(弹性模量和泊松比)的影响,会使得分析计算结果不准确,为此改进了传统强度折减法并将其应用于边坡稳定性分析中。基于Mohr-Coulomb强度准则和Duncan-Chang双曲线弹性本构模型,并深入分析土体应力状态、强度与变形的联系,分别建立弹性模量、泊松比与强度折减系数的关系表达式。据此在强度参数折减的同时,对弹性模量和泊松比同时进行修正。以均质土体边坡为例,应用改进的强度折减法开展稳定性评价,并与极限平衡法(Spencer法)进行对比。结果表明:4种有限元强度折减法准确性由大到小依次为:同时修正μ和E方法,只修正E方法,传统有限元强度折减法,只修正μ方法,结论验证了提出的改进方法的合理性和有效性。     

边坡稳定有限元强度折减法与极限平衡法对比

通过算例对有限元强度折减法和极限平衡法在边坡稳定性分析中的性能进行了比较,结果表明:有限元计算网格尺寸可选取最大计算长度的3%～5%;极限平衡法较有限元强度折减法计算耗时少;极限平衡法计算结果均落在有限元强度折减法所得贯通塑性区之内,简布法所得滑动面较之Spencer法的结果偏下。     

复杂岩基上的拱坝多拱多梁法应力分析

多拱多梁法（试载法）是拱坝应力体魄 主要方法，其中坝基变形常采用伏格特公式粗略计算。为提高地基变形的计算精度在对含有许多软弱夹层复杂地基的双曲拱坝的试载法应力分析中，除了采用伏格特公式外，还采用三维有限元法计算坝基变形，并对坝基软弱夹层处理前后的坝体应力和位移进行比较。计算成果表明，采用有限元法计算坝基变形是必要的，对软弱夹层进行处理有利于减小坝体位移和应力。     

土质边坡稳定分析中条分法与有限元法的比较

对比分析了土质边坡稳定性计算中条分法和有限元法的特点，讨论了在有限元法中边坡稳定系数的计算方法，并针对铜钟水电站库区左岸滑坡分别采用条分法和有限元法研究其稳定性，计算结果表明两种计算方法得到的滑坡稳定系数规律相同，但条分法计算值一般大于有限元值，反映出条分法中部分基本假设与实际情况存在一定差异。     

波浪作用下黏性土海床动力响应数值分析

波浪作用下黏性土海床的动力响应对于海洋建筑物的稳定性具有重要的影响。在大型有限元软件ABAQUS平台上进行二次开发,根据重复性原理(repeatability principle)在有限元模型中设置侧向边界条件,采用Carter等(1982)提出的改进剑桥动力本构模型模拟海床土体。首先通过与有关弹性海床在波浪荷载作用下力学响应的解析解的对比,在一定程度上验证了有限元模型的合理性。进而通过参数对比研究,探讨了波高、波浪周期、海床土体的渗透系数等因素对于弹塑性黏性土海床力学响应的影响。计算结果表明,在波高较大、周期较短、土的渗透系数较低情况下,容易导致黏性土海床丧失稳定性。     

高拱坝抗震理论分析进展

从高拱坝的抗震设防标准及动力稳定安全判定准则出发，对现有的高拱坝计算方法，如刚体极限平衡方法、刚体极限平衡与有限元结合方法、非连续变形分析（DDA）法、数值流形方法、界面元法、有限元-边界元-无限边界元耦合方法、随机有限元、人工透射边界和显式有限元法、并行算法，以及模型试验等进行了归纳．同时，还介绍了各种方法的优缺点．     

混凝土水管冷却温度场的计算方法

针对混凝土水管冷却温度场的计算问题,在目前用有限单元法迭代算法近似求解的基础上,根据水管与混凝土之间热量交换的平衡原理,提出了一种新的计算方法,并且数学上完全严密.采用该方法和文中所建议的沿程水管边界单元的搜索技巧,可以方便地严格模拟实际工作中蛇形水管的走向,提高计算精度.同时,针对实际工程中为提高温度场和温度应力场的计算精度带来计算量大的问题,提出了利用有限单元法的并行计算技术以及子结构技术两种方法,降低计算规模.     

Surrounding rock deformation analysis of underground caverns with multi-body finite element method

Discontinuous deformation problems are common in rock engineering.Numerical analysis methods based on system models of the discrete body can better solve these problems.One of the most effective solutions is discontinuous deformation analysis (DDA) method,but the DDA method brings about rock embedding problems when it uses the strain assumption in elastic deformation and adopts virtual springs to simulate the contact problems.The multi-body finite element method (FEM)proposed in this paper can solve the problems of contact and deformation of blocks very well because it integrates the FEM and multi-body system dynamics theory.It is therefore a complete method for solving discontinuous deformation problems through balance equations of the contact surface and for simulating the displacement of whole blocks.In this study,this method was successfully used for deformation analysis of underground caverns in stratified rock.The simulation results indicate that the multi-body FEM can show contact forces and the stress states on contact surfaces better than DDA,and that the results calculated with the multi-body FEM are more consistent with engineering practice than those calculated with DDA method.     

混凝土水管冷却温度场的计算方法

针对混凝土水管冷却温度场的计算问题，在目前用有限单元法迭代算法近似求解的基础上，根据水管与混凝土之间热量交换的平衡原理，提出了一种新的计算方法，并且数学上完全严密。采用该方法和文中所建议的沿程水管边界单元的搜索技巧，可以方便地严格模拟实际工作中蛇形水管的走向，提高计算精度。同时，针对实际工程中为提高温度场和温度应力场的计算精度带来计算量大的问题，提出了利用有限单元法的并行计算技术以及子结构技术两种方法，降低计算规模。     

流体-固体瞬态动力耦合有限元分析研究

本文应用有限元法探讨了流体与固体的瞬态动力耦合分析. 利用拉氏乘子法, 给出了流体与固体接触面上一种接触的约束单元, 将流体与固体动力耦合内力作为基本未知量, 使流体域与固体域有机地联系成一整体, 从而实现了流体-固体动力耦合系统的的统一分析. 文中还推导了流固动力耦合系统的有限元控制方程, 编制了计算程序, 数值计算结果验证了耦合模型的正确性及其较高的计算精度, 并表明固体的变形效应对于流体-固体系统的动力响应是显著的.