多体系统非连续变形的弹性及弹塑性分析方法(II)—— 数值算例

应用多体系统非连续变形的弹性及弹塑性分析方法从不同角度对刚性体、弹性体和弹塑性体组合多体系统进行具体的数值计算与分析,探讨接触界面的力学参数和材料强度参数对系统的变形、应力和接触应力以及塑性区的影响,得出十分有意义的结果与比较合理的结论.算例表明非连续变形计算力学模型作为一种新颖而强有力的数值分析与数值模拟方法,能够对一般的刚性体、弹性体和弹塑性体所构成的复杂的多体系统进行静、动力及接触非线性和材料非线性耦合数值分析与模拟,具有广泛的应用前景.     

非连续变形计算力学模型弹塑性数值分析方法及其应用

在笔者所建立的非连续变形计算力学模型弹性分析方法基础上 ,进一步考虑材料的弹塑性 ,基于分区参变量最小势能变分原理 ,建立了非连续变形计算力学模型弹塑性分析的数学列式和求解方法 ,分析了不同材料特性的基础梁和岩基相互作用问题。计算结果表明 :这种非连续变形计算力学模型弹塑性分析方法将材料的非线性与多体相互作用系统的接触非线性或界面非连续性相耦合 ,能够模拟多体间的非线性相互作用特性 ,是一种处理岩土工程中多体非连续变形体系的新颖而有力的数值计算方法     

多体系统非连续变形的弹性及弹塑性分析方法(I)——基本原理

非连续变形是多体系统的一个重要特性。从一般的平面问题出发，建立了多体系统的非连续变形分析的分区参变量最小势能原理，阐明了其理论基础，并推导了多体系统的非连续变形的弹性和弹塑性分析的整体控制方程，探讨了其求解的数值算法。该方法能够仿真模拟多体系统的变形和应力，不仅能够对多体系统进行静、动力耦合分析，而且还能够逐步模拟与预测多体系统的变形与应力响应及接触界面上的接触应力和相对运动等复杂的非线性过程。     

用于连续体与非连续体共存转化计算的质点元方法

为了进行建筑结构倒塌全过程的力学模拟，针对建筑结构倒塌数值模拟梁壳单元几何、材料、接触三重非线性且连续体向非连续体转化的动力计算问题，提出了显式有限元与离散元的统一模型“质点元方法”，该方法通过定义广义连接模型、构造连接模型转化法则和建立接触碰撞算法，将显式有限元与离散元统一于相同的计算框架之下，较好地继承了有限元的单元技术、本构技术以及离散元的非连续体计算能力，具有效率优先、精度可调的特点。通过某框架剪力墙结构计算表明，质点元方法能够用于建筑结构倒塌的连续体与非连续体共存及转化的强非线性动力计算。     

国际期刊导读

框架结构弹塑性分析的一种有效数值方法 框架结构的不完全弹塑性分析是一个非线性过程,按照假定的加载模式,利用荷载因子进行逐步加载。基于力学和数值方法,研究框架结构的极限承载力和变形能力。假定材料为理想弹塑性,并利用零长度塑性铰模拟塑性行为。该方法基于增量方程,类似于求解两个连续塑性铰之间的凸二次参数规划问题。利用虚荷载因子将凸二次参数规划转化为凸二次规划,     

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。     

弹塑性颗粒物质准静态变形的细观力学行为

本文介绍了对由弹塑性圆球组成的粒度多分散系统进行的轴向准静态加载和卸载的数值模拟成果。首先介绍了基于理论接触力学导出的颗粒弹塑性接触模型,进而阐明了基于颗粒离散元法对颗粒物质准静态变形模拟的基本方法。研究发现:弹塑性球颗粒系统在加载时其轴向刚度对颗粒间产生的塑性变形量及颗粒间的摩擦均很敏感。然而,颗粒间的摩擦对轴向加载时系统产生的水平应力没有很强的影响。数值模拟还提供了颗粒量级上的微力学内部变量的信息。这里引入并介绍了结构异性张量、滑动接触比率以及平均配位数。通过对这些参数的研究表明:在卸载的全过程中,颗粒间相对滑移出现,相互作用的颗粒数减少,系统内部结构产生不可恢复变形。因此,尽管在卸载应力应变曲线的初始段约为线性,但这并不意味着颗粒系统的响应如传统连续力学中假定的那样为弹性。     

《岩石力学与工程学报》2004年1期EI收录论文(27篇)

No论文题目作者名页码1单轴拉伸条件下细观非均匀性岩石变形局部化分析及其应力-应变全过程研究周小平,张永兴,哈秋等1～62细观介质拉压比对岩石破坏过程的影响梁正召唐春安李连崇等7～113多体系统非连续变形的弹性及弹塑性分析方法(I)——基本原理黎勇冯夏庭栾茂田等12～164多体系统非连续变形的弹性及弹塑性分析方法(II)——数值算例黎勇冯夏庭栾茂田等17～235遥感-岩石力学(I)——非连续组合断层破裂的热红外辐射规律及其构造地震前兆意义吴立新刘善军吴育华等24～306围压对剪切带倾角影响的梯度塑性理论分析(英文)王学滨姚再兴潘一山3…     

软土浅埋地铁车站地震响应的多因素影响分析

软土浅埋地铁车站结构的抗震能力分析是工程界关注的热点问题之一.为综合评价地震条件下,结构与场地材料性质、地基夹层非均匀性、地震动特性等对地下结构动力响应的影响,作者着重通过非线性时程响应模拟,并辅以时频联合分析技术,从多角度数值研究了软土浅埋地铁车站的地震响应特征与破坏机理.计算中,以DP弹塑性本构模型与接触面单元模型,模拟了土体材料非线性及土体-结构交界面的接触非线性的耦合作用.结果表明,相同地震载荷条件下,近场土体力学参数,及结构交界面处的接触非线性均会对地下结构的受力幅值及分布特征产生明显影响,需要在结构抗震设计中加以综合考虑,而不能单靠提高结构刚度来提高地下结构体的抗震能力.     

堆石体三轴剪切试验的三维细观数值模拟

从细观角度出发,采用随机模拟技术建立堆石体的三维随机颗粒模型,基于修正的增广Lagrangian算法的非线性接触算法模拟颗粒间的相互接触,采用损伤软化模型描述细观单元的应力应变关系,当细观单元的损伤度超过损伤阀值时删除该单元,采用Weibull概率分布描述堆石体材料物理力学性质的非均匀性。以水布垭面板堆石坝茅口组堆石为研究对象,进行其三轴剪切试验的变形体离散元细观数值模拟,采用应变控制加载,再现了堆石体的颗粒变形和运动规律。数值计算结果表明,数值模拟能够较好地反映堆石体三轴试验的变形规律,得到的轴向应变–偏应力曲线和轴向应变–体积应变曲线接近试验曲线。从能量角度分析了颗粒变形、颗粒间的摩擦、颗粒的损伤破碎、颗粒运动在加载过程中对系统的贡献。     

边坡稳定的大变形有限元可靠度分析

在用有限元法对边坡稳定的可靠度进行分析时，通常只考虑土体的弹塑性变形（即材料非线性问题）。而对于土坡而言，其滑动面附近土体会产生应变局部化，研究结果表明：当平均应变为10％时，剪切带内的应变高达40％。因此，为了真实模拟边坡的破坏情况及过程，应进行边坡的大变形有限元可靠度分析（即几何非线性问题）。基于非线性连续介质力学的基本原理，采用以物质坐标为变量的更新的拉格朗日法（uL法）建立了弹塑性大变形有限元分析模型，同时考虑了边坡工程中的材料非线性及几何非线性问题。在此基础上，采用有限元强度折减法计算边坡的安全系数，建立了边坡破坏的极限状态方程，进行了边坡的有限元可靠度分析。计算比较了弹塑性小变形及弹塑性大变形时均质土坡的安全系数及可靠指标，进行了参数的敏感性分析。得出了当考虑边坡的大变形时，安全系数有所增加而可靠指标有所减小的结论，指出只进行小变形有限元可靠度分析偏于危险。     

基于非线性接触本构的颗粒材料离散元数值模拟

在考虑颗粒间细观非线性接触关系的基础上,基于空隙胞元法,采用颗粒离散元法对二维颗粒体试样进行了平面应变数值模拟。颗粒间接触用广义弹簧单元表示,相邻颗粒接触点的塑性变形用非线性弹簧表示。在准静态、小变形条件下,研究了试样的微观织构变化和宏观力学行为。单个空隙胞元的变形通过周围颗粒的相对运动来计算,将离散系统中的变形与连续体中的相应变形联系起来,应用于颗粒离散元方法中平均应力的计算。文中给出了细观尺度上局部织构(通过空隙数,接触价键,配位数来表征)的变化过程,对比了不同情况下的应力–应变关系曲线,再现了试样的加卸载曲线。结果表明了颗粒介质之间的咬合作用对材料的宏观力学行为有比较明显的影响。     

基于中心差分方案的显式三维非连续变形分析法

为提高传统三维非连续变形分析法(DDA)求解大规模非连续问题时的效率,提出一种基于中心差分方案的显式三维DDA,求解过程简单省时且更便于实现高效的并行计算。基于最先侵入和最短退出路径原则,推导时间步内2种基本接触侵入形式的侵入点对位置的估算公式,明确侵入信息的参数种类,从而保证时域离散下块体间接触约束的时空连贯性、降低接触问题的非线性、提高接触力学计算的精度并减少重复计算量。数值算例表明,显式三维DDA具有足够的计算精度且计算效率更高,实现并行计算后有望应用于大型岩体工程非连续数值分析。     

基于混合高阶非连续变形分析的刚性伺服数值试验方法EI北大核心CSCD

相对于传统的力学试验而言,数值试验具有成本低和灵活方便的优点,且不受试验机性能和岩石试样自身离散性等因素的影响;通过对岩石细观结构及其参数的敏感性分析可以方便地实现对其变形破坏细观机制的研究。作为宏观力学试验的有益补充,细观数值试验方法近年来逐渐发展成为研究岩石力学特性的重要手段。基于非连续变形分析方法,建立能够同时实现刚性试验机的理想刚性和电液伺服试验机的伺服控制机制的细观数值试验方法。在混合高阶非连续变形分析框架下,组成岩石试样部分的块体单元根据需要可采用常应变单元或高阶多项式位移模式,模拟加载框架部分的块体单元则采用刚体位移模式,从而实现加载系统的理想刚性。通过对加载速率及其量值的实时反馈控制实现了对电液伺服试验机闭路循环控制机制的数值模拟;"加载步回撤"和"二分法搜索"等计算策略的应用使得数值试验中的加载速率及其量值能够始终与岩石试样自身的承载能力相适应,从而能够得到更为接近真实的的峰后曲线。采用两块体简化模型对伺服数值模拟程序的有效性进行验证;之后,利用研发的程序开展了单轴压缩数值试验,获得应力–应变全过程曲线。基于混合高阶DDA的伺服数值试验方法为岩石基本力学特性的细观数值试验研究提供了全新的研究手段。     

工程地质力学及其应用中的若干问题

工程地质力学是以工程为目的研究地质体变形破坏规律的科学。地质体具有非连续、非均匀、流-固耦合以及未知的初始状态的特性，工程地质力学的关键科学问题包括如何判断地质体的当前状态、描述地质体的力学特性以及分析地质体由连续到非连续的演化过程。工程地质力学研究应当以地学为基础、力学为手段、工程为目的，迫切需要解决的工程问题包括探测地质体的几何和力学特性，给出地质体稳定性的分析方法、地质工程设计依据以及地质灾害的预测预报方法。无论是模型实验还是模拟实验的结果能否回答工程问题取决于对地质条件的认知程度，但是，实验研究可以作为验证数值模拟结果的有力工具；地质调查和现场测量是工程地质力学必不可少的组成部分，地质体的力学分类体现了地学的基础作用，可实现地质环境描述定量化。针对工程需求建立力学模型可主要考虑含结构面岩体、土石混合体以及地质中裂隙流和岩土体的相互作用；实验室岩块实验的试样尺寸应作为地质体多尺度计算模型中的基本尺度。工程地质力学的主要研究内容应当包括给出关键的力学测量参数、研究获得这些参数的方法及相关的仪器：在提出和完善力学模型的同时，应更加注重新的计算方法的验证以及工程应用研究。     

基于混合高阶非连续变形分析的刚性伺服数值试验方法

相对于传统的力学试验而言,数值试验具有成本低和灵活方便的优点,且不受试验机性能和岩石试样自身离散性等因素的影响;通过对岩石细观结构及其参数的敏感性分析可以方便地实现对其变形破坏细观机制的研究。作为宏观力学试验的有益补充,细观数值试验方法近年来逐渐发展成为研究岩石力学特性的重要手段。基于非连续变形分析方法,建立能够同时实现刚性试验机的理想刚性和电液伺服试验机的伺服控制机制的细观数值试验方法。在混合高阶非连续变形分析框架下,组成岩石试样部分的块体单元根据需要可采用常应变单元或高阶多项式位移模式,模拟加载框架部分的块体单元则采用刚体位移模式,从而实现加载系统的理想刚性。通过对加载速率及其量值的实时反馈控制实现了对电液伺服试验机闭路循环控制机制的数值模拟;"加载步回撤"和"二分法搜索"等计算策略的应用使得数值试验中的加载速率及其量值能够始终与岩石试样自身的承载能力相适应,从而能够得到更为接近真实的的峰后曲线。采用两块体简化模型对伺服数值模拟程序的有效性进行验证;之后,利用研发的程序开展了单轴压缩数值试验,获得应力–应变全过程曲线。基于混合高阶DDA的伺服数值试验方法为岩石基本力学特性的细观数值试验研究提供了全新的研究手段。     

应变敏感的裂隙及裂隙岩体水力传导特性研究

通过将岩体单裂隙视为非关联理想弹塑性体，导出单裂隙在压剪荷载作用下，其机械开度和水力传导度的解析模型，并采用已有相关试验研究成果对解析模型进行验证。在此基础上，通过将岩体概化为含一组或多组优势裂隙的等效连续介质，给出一种描述裂隙岩体在复杂加载条件下考虑非线性变形特征及滑动剪胀特性的等效非关联理想弹塑性本构模型。基于该模型，给出裂隙岩体在扰动条件下应变敏感的渗透张量的计算方法，该计算方法不仅考虑裂隙的法向压缩变形，而且反映材料非线性及峰后剪胀效应对裂隙岩体渗透特性的影响。该模型通过引入滑动剪胀角和非关联理想塑性，较为逼真地反映了真实裂隙及裂隙岩体峰后的剪胀特性、变形行为和水力传导度变化特征。通过数值算例，研究了裂隙岩体在力学加载及开挖条件下渗透特性的演化规律。     

毛竹复合土钉墙数值分析

本文采用非线性有限元法探讨软土深基坑毛竹复合土钉墙支护机理。数值模拟采用ABAQUS三维非线性有限元软件和实体单元(取代传统的结构单元)来模拟毛竹土钉与土体的相互作用,土体采用莫尔-库仑理想弹塑性模型,基坑的变形分析采用在此软件平台上二次开发能反映基坑开挖卸载的邓肯-张E-B模型,模型参数采用三轴加、卸载应力路径试验值或经验值。毛竹土钉按张拉破坏的弹性材料进行模拟,坡脚毛竹排桩等效为连续板桩来模拟。数值模拟预测结果与现场实测结果吻合较好,表明三维非线性有限元法对毛竹复合土钉墙的变形预测具有定量计算精度,可用于动态指导基坑开挖、支护设计和施工。     

适用于节理岩体的新型黏弹塑性模型研究

在分析岩体变形特点和常用流变模型变形特性的基础上,提出与应力状态和时间相关的非线性黏性体。非线性黏性体在应力小于其极限值时,变形随时间增长而趋于稳定,当应力大于其极限值时,变形将随时间增长而急剧增大。将非线性黏性体引入传统Maxwell模型中,由改进的Maxwell模型与传统Kelvin模型和St.Venant塑性体串联得到新型五元件黏弹塑性模型。在五元件黏弹塑性模型中,改进Maxwell体中的弹性体和非线性黏性体分别模拟瞬时弹性变形和黏性流动变形,Kelvin体和St.Venant体分别模拟延滞回复和瞬时塑性变形。理论分析和试验验证表明,五元件黏弹塑性模型可以较全面地反映岩体变形特征,并可以反映岩体在低应力状态下流变趋于稳定、而应力水平超过其极限值后出现加速流变而破坏的流变规律。     

加筋砂土挡墙承载力及渐进性变形破坏的有限元分析方法

 为开发一种可以合理模拟加筋砂土挡墙承载力及渐进性变性破坏特征的数值分析方法,利用可考虑应变局部化的非线性弹塑性有限元法对一系列的加筋砂土挡墙模型试验结果进行从小变形到破坏的全过程数值分析。有限元分析中,砂土的本构关系采用基于修正塑性功的硬化–软化弹塑性模型,该模型引入应变局部化参数S用以描述砂土单元峰值以后的局部剪切破坏效果。模型试验结果与有限元计算结果比较表明：建议的非线性弹塑性有限元分析不仅可以较好地模拟分析加筋砂土挡墙基础底面的平均压力与沉降之间的关系,而且也能合理地模拟加筋砂土挡墙基础的剪切破坏的发生与发展状况、筋材的拉力以及挡墙面板的水平土压力分布等,它可以定量化地分析加筋砂土挡墙的渐进性变形破坏特征以及条带加筋材料的加固机制。