滚石冲击荷载作用下土体屈服特性研究

 滚石冲击压力是滚石防护结构设计的重要参数,当不考虑被冲击材料的弹塑性特性时,获得的冲击压力非常大,几乎不能用于工程设计。而实际岩土材料均为弹塑性体,在滚石冲击压力下,会产生很大的塑性变形,为此,必须研究土体的初始屈服压力作为判断土体是否开始进入屈服的条件。以Hertz接触力学为基础,假设土体服从莫尔–库仑屈服准则,研究土体在滚石冲击荷载作用下的初始屈服压力和初始屈服冲击速度。研究结果表明：土体初始屈服冲击速度非常小,其中黏聚力对其有较大影响,而内摩擦角对其影响相对较小。     

混凝土坝坝体与坝基互馈的分析理论和方法

 针对经典接触力学假设接触表面为几何光滑面的不足,基于Hertz接触力学和弹塑性理论,考虑坝体与坝基互馈面在外界荷载作用下面积的变化,并借助岩体水力学知识,建立坝体与坝基系统中渗流场与应力场的互馈模型;研究混凝土坝坝体与坝基互馈力学模型的算法,并基于遗传算法开发相应计算程序。最后,就水口混凝土重力坝进行互馈计算。     

复合型拦砂坝受泥石流大块石冲击作用的动力响应

针对泥石流发生时,大块石对拦砂坝的撞击作用往往是拦砂坝发生破坏的主要原因,提出了一种新型拦砂坝——复合型拦砂坝。以充分耗散大块石撞击坝体时产生的大量能量为目的,在坝体迎水面采用堆积粗砂土体和铺塑料泡沫板2种措施。借助ABAQUS有限元计算软件,模拟计算了大块石不同冲击速度下,复合型拦砂坝及普通混凝土拦砂坝坝体对大块石冲击作用的动力响应,得到复合型拦砂坝坝体-大块石体系动能的动态演化规律及拦砂坝表面所受冲击力时间历程曲线,同时与混凝土重力拦砂坝进行比较。计算结果表明:在拦砂坝坝前堆积土体和铺塑料泡沫板可以延长大块石与拦砂坝冲击时间,减小拦砂坝接触面所受的冲击力。     

石笼拱柔性拦截坝新技术及其数值模拟

针对常见的泥石流拦挡结构被冲击破坏的问题,提出了柔性石笼拱拦截坝新技术。柔性石笼拱以石笼为主要材料,砌筑成拱形,上游面铺设废旧轮胎防冲垫层,拦截泥石流。利用ANSYS LS-DYNA软件,分析了柔性石笼拱结构对泥石流冲击的动力响应,并与刚性浆砌石结构进行对比。通过MIDAS GTS软件计算,分析了石笼拱拦蓄泥石流后孔隙水压力变化及静力稳定特性。数值计算结果表明,柔性石笼拱结构能合理地优化结构受力,变形自适应,减小巨石冲击荷载以及饱和泥石流的浆体压力对结构的不利影响。     

隧道围岩压力的弹塑性新解

在隧道衬砌设计中,围岩压力通常是最主要的荷载,也是最难以确定的荷载。围岩压力的弹塑性理论研究也从未间断。经典的芬纳公式和修正芬纳公式由于塑性区半径的不确定性而限制了其实际工程应用。以修正芬纳公式为基础,考虑围岩与衬砌的共同作用,在未作塑性区体积不变的假设条件下,推导得到塑性区半径的理论计算方法,从而可以直接应用修正芬纳公式计算围岩压力,为隧道衬砌设计提供指导。     

基于Hertz理论和JKR理论的落石冲击力学研究

考虑垫层材料黏附性引起周边应力场对落石冲击力的影响,基于Hertz接触理论和JKR黏附理论,对落石冲击力学进行了研究。利用MDR法(降维法)将落石三维模型转化为一维模型,通过理论分析得出了落石冲击垫层时的冲击力以及坠入深度的解析解。之后将得出的解析解与国内外已有的结论进行算例计算对比,发现本文冲击力大小的解处于日本道路公团方法和瑞典法之间,验证了本文结论的合理性和正确性。同时将得出的坠入深度与已有理论深度进行计算对比,得出本文计算出的落石深度基本小于文献[9]计算值且大于文献[8]计算值。进一步对比分析后,得出了在冲击过程中落石与垫层接触周边应力场会对冲击力大小和坠入深度产生一定影响。     

结构抗冲击设计的泰勒理论修正及计算机模拟

结构在冲击荷载作用下其材料的屈服强度提高,弹靶碰撞可用来确定材料的动屈服强度.本文提出了一种新的弹靶接触面积增长模型--阻滞增长模型,该模型假设接触面积的增长率为接触面积的减函数,并采用该模型对经典的弹靶撞击理论--Taylor理论,进行了修正.与Taylor理论和钱伟长修正理论相比,本文的理论更符合实际,并与有限元结果一致.     

贮料对钢仓壁面静动压力特性的弹塑性分析

考虑地基对筒仓结构的影响，采用Mare有限元程序提供的边界条件高度非线性的接触算法模拟散料对仓壁的作用，对钢板壁面的应力强度和位移变形进行弹塑性分析，将计算结果与应用Jansen静压力理论公式计算出的结果作比较，探讨了非线性接触算法计算结果的可靠性。然后，通过考虑动力效应的侧压力公式对仓壁的动力特性作进一步分析。通过静动力特性分析得出，仓底部位的应力和位移达到最大，对工程设计具有参考意义。     

泥石流冲击力的研究现状

泥石流冲击力是泥石流动力特性的重要组成部分,也是泥石流支挡结构的设计依据。以泥石流冲击力为研究对象,对泥石流冲击力的计算模型以及野外实地观测研究进行阐述与分析。结果表明:现有的冲击力计算公式大多采用拟静力方式获取泥石流最大冲击荷载,未考虑泥石流冲击荷载的动态变化效应和时间效应;由于各种条件的限制,导致泥石流冲击力实测信号获取困难,这会限制泥石流防灾减灾工作的发展。     

基于向量式有限元的实体结构非线性行为分析

基于向量式有限元基本理论,推导了四节点四面体实体单元的基本理论计算式,通过参考平面的逆向运动来获得单元节点纯位移,进而通过变形坐标系获得单元节点内力。将双线性弹塑性材料本构模型引入向量式有限元实体单元,以实现考虑塑性硬化效应时实体结构的材料非线性行为分析。针对实体结构的碰撞接触行为,通过实体外表面质点和三角形网格面的单向碰撞检测来处理碰撞检测问题,采用基于中央差分的罚接触力响应方法来处理碰撞响应问题。弹塑性材料和碰撞接触均作为单独的计算分析模块引入向量式有限元实体单元。算例分析表明,所编制的向量式有限元实体单元程序可以有效实现线性和非线性材料情况下实体结构的静动力、大变形、大转动以及碰撞接触行为分析,验证了所提理论计算式和编制程序计算结果的可信度。     

基于船-桥碰撞接触时间的船撞力简化计算方法

通过数值模拟初步分析了不同吨位船舶撞击代表性桥梁工程的接触时间,根据船 桥碰撞动力学模型得出了船撞力和接触时间的理论解;分析了船舶质量、初始撞击速度、船艏刚度以及桥墩刚度等参数对碰撞接触时间的影响,拟合出碰撞接触时间的简化计算公式,并通过实际船 桥碰撞工程的数值模拟对简化计算公式进行了验证,从而修正了中国《公路桥涵设计通用规范》中关于漂浮物撞击桥梁的碰撞接触时间的定义;基于冲量定理分析了船 桥碰撞接触时间与峰值船撞力的关系,研究了船撞力时程曲线与正弦波和三角波的关系,并与数值模拟结果进行了对比分析,建立了峰值船撞力简化计算公式。结果表明:船 桥碰撞接触时间与船舶质量和接触刚度有关;峰值撞击力计算值与数值模拟结果吻合较好。     

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。     

江垭水电站地下洞群三维变形块体稳定分析

根据江垭地下厂房厂区外围正在开挖施工的洞室主要结构面出露情况，应用三维变形块体与弹塑性摩擦接触理论，初步分析了厂区可能存在不稳定块体的数量、规模、坍滑方式和方向，预测了该类不稳定块体对三大洞室开挖施工的影响，并提出对预防措施的意见，可望对设计、施工有所帮助     

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。     

三维块体接触检索算法改进研究

 在三维非连续变形分析中,快速准确的块体接触检索算法是控制计算效率和分析结果正确性的关键因素之一。基于直接法和公共面法的思想,将接触类型归纳为点–面、边–边2种接触,并结合块体的外包围盒、块体切割面和接触继承对块体接触检索做进一步的改进。引入块体角点运动探针思想,对接触的正确性做进一步的识别,以确保块体的接触关系符合模型的力学运动要求,这弥补了以往接触算法中未考虑块体运动趋势的不足。该算法已在同济曙光三维块体分析软件中实现,算例结果表明,该算法具有良好的适应性、鲁棒性和可实现性,对于凸体和凹体均适用,能有效地解决现有方法存在的不足。     

三维离散元法解析砂型泥石流细观运动特征研究

基于散体介质理论的三维离散元数值分析方法,引入粘滞阻尼模型考虑系统耗能效应,求解固体作用力和流体连续性方程,充分考虑流固耦合作用,对中、细标准砂泥石流过程进行仿真分析,得到不同砂型泥石流破坏过程及渗流场、颗粒速度场、孔隙率、颗粒接触数等参数变化规律。分析表明,中砂、细砂分别表现出分层渐进式和流滑型的破坏模式,这与已有物理试验现象吻合,验证该模型的适用性,并从渗流场分布规律深刻解释该现象发生机理。泥石流过程中土颗粒速度矢量变化规律从细观上揭示了隐藏在颗粒内部的相互碰撞、摩擦、滑动等复杂运动特点,从宏观上揭示了中砂土坡脚薄弱位置率先突破,主滑动体形成直至完全失稳的分级渐进式破坏过程。进一步分析了土体孔隙率和平均接触数分布云图变化规律,中砂泥石流过程中随颗粒运动,滑动体孔隙率逐渐增大,颗粒接触数逐渐减小,并且这种发展趋势逐渐往坡后方土体蔓延;进一步揭示了中砂泥石流分级渐进破坏过程与颗粒速度场分析规律一致。分析结果表明了该模型方法在模拟泥石流这种大变形、流固耦合问题上的适用性,这对泥石流复杂机理的更深入探索是有益的。     

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。     

底层框架砖房的底层框架弹塑性变形控制计算方法

根据底层框架砖房的底层框架弹塑性变形验算方法,对底层框架在罕遇地震下承担的地震剪力进行分析并进行简化计算;在满足底层框架弹塑性变形要求条件下,提出采用底层框架屈服强度系数及框架柱配筋的弹塑性变形协调控制的计算方法,在进行底层框架的设计时,便于对框架抗震承载力进行调整,通过这种协调控制计算,可以减少设计工作量及设计的盲目性.