粘土心墙坝水力劈裂模型试验研究

在不考虑心墙拱效应作用情况下,研制了一套可以模拟土石坝心墙中水力劈裂现象的新型试验装置,采用预设裂缝的方法对粘土心墙料进行了不同条件下水力劈裂试验,以验证模型的可行性。结果表明,完全均质心墙中不会出现水力劈裂现象,最大干密度和最优含水率下填筑料的抗水力劈裂能力最强,采用较厚心墙对土石坝的抗水力劈裂能力有利,裂缝和水库的快速蓄水是导致心墙中产生水力劈裂的重要原因。     

圆盘内裂纹扩展断裂试验及数值模拟研究

鉴于含裂纹的巴西圆盘试验多集中于二维或表面裂纹,而对含纯封闭内裂纹的巴西圆盘断裂研究较少的问题,开展了含90°三维内裂纹的树脂巴西圆盘试样单轴压缩试验,分析了裂纹扩展过程特征,并基于M积分及最大拉应力准则研究了KⅠ、KⅡ、KⅢ分布规律,通过断裂力学有限元软件FRANC3D实现内裂纹扩展全过程模拟。结果表明,含90°内裂纹试样在单轴压缩下裂纹破坏形态为竖直张拉裂纹;达到峰值荷载29.13kN时试样瞬间被劈裂为两半,内裂纹扩展速度达到700mm/s,对试样扩展、破坏形态及断口特征产生显著影响;通过数值模拟得出内裂纹尖端扩展路径,短轴端扩展速率最大,且数值模拟结果与试验相符。     

MCE地震作用下全坝段三维碾压混凝土重力坝动位移分析

碾压混凝土重力坝切割式横缝接触面存在一定初始强度,忽略该强度与坝体实际运行状态差异较大。对此,基于ABAQUS有限元分析软件,考虑各相邻坝段间的相互作用力和切割式横缝接触面初始强度,对全坝段三维光照碾压混凝土重力坝—地基—库水体系进行有限元数值模拟,分析了碾压混凝土重力坝在最大可信地震作用下的动位移响应。结果表明,忽略碾压混凝土重力坝切割式横缝接触面初始强度会降低坝体动位移响应程度,且三维数值模型相对于二维更能反映重力坝各相邻坝段间相互作用行为,对高碾压混凝土坝非线性动力响应理论研究有一定参考价值。     

基于扩展有限元法的混凝土重力坝裂纹扩展研究

针对混凝土重力坝裂纹开裂扩展问题,基于扩展有限元(XFEM)理论,以Koyna大坝为例,分别建立基于附加质量法和无质量地基法的传统抗震分析模型和基于流固耦合法和粘弹性边界法的新型抗震分析模型,并针对两种模型进行线性时程分析和非线性裂纹扩展模拟分析。结果表明,以流固耦合法和粘弹性边界法建立的坝体-地基-库水抗震分析模型的动力峰值响应整体减小了约30%;传统模型的裂缝张开位移有一定程度的夸大,基于流固耦合法和粘弹性边界法建立的坝体-地基-库水抗震分析模型的裂纹扩展路径与实际振动台试验结果更接近。     

基于多边形比例边界有限元的重力坝地震断裂模拟

针对地震条件下重力坝中裂纹的稳定性,基于多边形比例边界有限元法(Polygon SBFEM)提出了一种重力坝地震开裂过程模拟的数值模型。该模型中SBFEM兼具边界元和有限元两种方法的优点,而多边形比例边界单元和局部网格重剖分技术的引入使得对裂纹扩展过程的模拟更加灵活、便捷。对Koyna大坝的地震断裂过程模拟结果与试验及文献的分析结果一致,说明该方法为混凝土坝地震断裂数值分析提供了新途径。     

强震区碾压混凝土重力坝非线性地震响应分析

针对传统的线弹性模型不能准确模拟强震区碾压混凝土重力坝的地震响应问题,介绍了考虑坝体材料非线性的损伤模型和考虑接触非线性的缝接触模型,并将这两种模型应用于鲁地拉重力坝非线性地震响应分析中,以坝头部的裂缝贯穿为"破坏"准则,计算裂缝贯穿前坝体所能承受的最大地震作用。结果表明,在该准则下,材料非线性模型和接触非线性模型分别算出最大荷载作用为1.6倍设计地震和1.5倍设计地震,计算结果十分接近,均可用来评价碾压混凝土重力坝的极限抗震能力。     

考虑库水可压缩性的重力坝地震响应分析

以丰满重力坝重建工程为例,采用ANSYS-FSI流固耦合方法,考虑库水可压缩性对重力坝动力特性的影响,建立了丰满重力坝代表性坝段的坝体—库水—地基模型,分析了丰满重力坝的自振特性及其在地震作用下的动力时程响应。结果表明,考虑库水可压缩性能显著影响重力坝坝体的自振频率,与空库时相比坝体基频降低约16%,且随自振阶数增加,自振频率相对降低越多;与附加质量模型相比,该模型在设计地震荷载作用下能得到更加合理的坝体位移和应力,为丰满重力坝的抗震性能安全评价提供了有限元分析参考。     

水工隧洞中水力劈裂临界孔隙水压计算方法

在高水头作用下水力劈裂临界孔隙水压计算方法对围岩的稳定性分析有重要意义。根据断裂力学基本原理,结合大型计算软件FLAC-3D,对在高水头作用下围岩裂缝是否会扩展失稳及原本不存在裂缝的围岩是否会产生新的裂缝做出了判断,给出计算水力劈裂临界孔隙水压的两种方法,确定了围岩发生失稳破坏的临界孔隙水压力,并结合实际工程论证了两种方法的可行性,获得了方法的适用范围。     

含预制裂隙的均质岩石巴西劈裂过程数值模拟

基于改进刚体弹簧方法,对均质圆盘试件和预制裂隙圆盘试件的巴西劈裂过程进行了数值模拟,并对比研究了预制裂隙对巴西劈裂破坏形态的影响。结果表明,均质圆盘的巴西劈裂过程分为三个阶段,即加载端开始向下萌生随机裂隙点;裂隙点之间联结发育;主裂隙贯穿试件造成破坏,次生裂隙发育。对于预制裂隙圆盘试件,不同预制裂隙倾角试件的破坏形式基本一致,由于应力集中,裂纹首先从预制裂隙两端萌生,并向加载端扩展,宏观裂纹形成的同时在加载端部也开始产生次生裂隙,次生裂纹的产状随预制裂隙倾角变化而不同。     

连杆准静态裂解数值模拟关键技术与启裂分析

对连杆准静态裂解进行了数值模拟分析,对裂纹区网格划分、接触与约束处理、无应力投影功能与自适应加载步长等关键技术进行了探讨;运用临界J积分和最大主应力准则作为连杆启裂的判据,分析了启裂时连杆应力场、塑性场及位移场,给出启裂点的分布状况.数值分析表明:连杆裂解的塑性区只存在于裂纹区裂尖附近,启裂点不唯一且沿连杆厚度方向散布在裂尖,但启裂率先发生在中部裂纹区的最大主应力峰值域,并向上下表面和外轮廓扩展.启裂点散布以及裂纹扩展路径不同极易造成裂纹交汇异常,并导致裂解过程中的爆口、断裂面台阶等裂解缺陷.     

含表面裂纹T型叶根应力强度因子的数值计算

采用三维有限元方法计算在离心力作用下T型叶根的应力强度因子.在有限元分析中考虑了T型叶根与轮缘的接触作用,应用位移相关技术计算了沿裂纹前缘各点的Ⅰ型应力强度因子.结果表明:在裂纹前缘Ⅰ型应力强度因子在极角α等于π/2时达到最大值;随着裂纹深度与裂纹长度比率的增大,裂纹前缘各点的Ⅰ型应力强度因子增加.这些结果对于叶根表面裂纹的扩展、剩余强度以及疲劳寿命的评估是非常有用的.     

齿墙结构对重力坝深层抗滑稳定安全性能的影响

为分析齿墙结构对重力坝深层抗滑稳定安全性能的影响,以乌河水库软弱夹层为例,应用ANSYS 软件,采用有限元强度折减法和最大剪切强度允许相对位移失稳判据分析了齿墙宽度、坡度以及位置对重力坝深层抗滑稳定性安全系数的影响。结果表明,齿墙坡度对重力坝深层抗滑稳定安全性能的影响小于齿墙宽度;相同条件下在坝趾处设置同等规模的齿墙可更好地发挥抗滑作用,为齿墙的优化设计及重力坝除险加固提供了参考。     

基于ABAQUS的重力坝三维非线性静动力分析

以在建的大华桥碾压混凝土重力坝为例,采用ABAQUS软件中的混凝土损伤塑性本构模型,模拟了大坝在静力荷载与地震荷载下的工作性态,对比分析了坝体材料的线性与非线性对大坝应力位移的影响及坝体在地震作用下可能出现的损伤破坏区及其规律.验证结果表明,坝体材料采用非线性比线性更能反映实际坝体应力分布与位移规律及坝体的损伤破坏区,为混凝土重力坝的震害研究提供了参考依据.     

风力发电机叶片多裂纹随机扩展和损伤容限研究

考虑多裂纹间的相互干扰,建立含多裂纹结构的随机扩展模型,基于裂纹扩展随机过程的微熵最大化原理,采用随机梯度下降法推导出裂纹扩展速率的迭代式,从而计算出多裂纹扩展至指定尺寸所需加载循环数,并证明其与自然梯度算法等同且不受学习率的影响。通过风力机叶片裂纹扩展试验,记录多裂纹和单裂纹扩展时的扩展曲线,发现多裂纹干扰对主裂纹扩展有抑制作用,并用显微镜观察裂纹的金相组织,分析多裂纹增加断裂能的主要原因是层间纤维的强介质作用。最后在损伤容限分析中比较工程估算值、试验值以及该文提出方法的预测值,结果表明,该文所提出的方法可提高裂纹扩展寿命预测精度,提供风力机叶片损伤容限分析方法。     

基于扩展有限元的非对称四点梁复合型开裂分析

针对裂纹在三维实体中沿曲线或曲折路径扩展问题,应用三维扩展有限元的基本原理,结合ABAQUS有限元分析软件和粘聚裂缝模型,对混凝土梁在荷载作用下的复合型开裂过程进行了数值模拟分析。模拟结果与试验资料对比分析结果表明,基于扩展有限元法的三维模型对裂纹路径具有较高的预测精度,能有效分析实际工程中的复杂断裂失效问题。     

基于分项系数极限状态法与突变理论的重力坝深层抗滑稳定分析

针对传统方法在重力坝深层抗滑稳定分析中存在的问题,以某实际工程为例,建立重力坝有限元强度折减计算模型,并考虑荷载分项系数和坝基及软弱层的材料分项系数,通过逐步降低材料强度参数,利用ANSYS软件确定大坝关键节点水平位移与坝踵下方软弱层上、下两点位移差随折减系数变化的关系,引入尖点突变理论得到大坝深层抗滑稳定安全裕度为1.29,对重力坝的稳定性进行了判别。     

含交叉裂隙类岩石试样物理力学特性试验及其RFPA模拟

为探究含交叉裂隙试样在单轴应力下的物理力学特性,制备了与岩石力学性质相似的类岩石材料,利用预制树脂片法模拟了不同倾角交叉裂隙的情况,对其进行了单轴压缩试验,同时利用RFPA软件对不同工况进行了数值模拟。结果表明,含交叉裂隙类岩石试样在单轴应力下主要有单一裂隙扩展模式、主裂纹扩展贯通模式、次生裂纹扩展贯通模式三种破坏模式;单一裂隙扩展模式与主裂纹扩展模式下,次生裂隙尖端产生剪破坏,主裂纹尖端产生拉破坏,而次生裂纹扩展模式下主裂纹尖端产生剪破坏,次生裂纹尖端产生拉破坏,最终产生的翼裂纹与反翼裂纹属于拉剪破坏;单轴应力下的含交叉裂隙试样应力-应变曲线经历弹性变形阶段、非线性变形阶段、残余变形阶段三个阶段;主裂纹倾角对含交叉裂隙试样的峰值强度起到控制性作用,而次生裂隙仅在主裂纹倾角为0°时对试样的峰值强度有较大影响。     

大理岩节理表面形态对剪切强度影响的数值模拟

利用PFC3D模拟了大理岩节理岩体的直剪试验,实现了在剪切过程中考虑节理形态的影响。以某一大理岩人工劈裂节理形态为例,通过傅里叶变换进行滤波将节理形态分离成高频和低频形态,用PFC3D模拟节理形态然后进行剪切数值试验,获得了剪切应力、剪切位移、法向位移、裂隙数量等参数。计算结果表明,节理形态对节理的剪切强度有不同的影响,本文分离节理形态的方法可行。     

马堵山重力坝动力响应分析及安全评价

根据马堵山碾压混凝土重力坝的工程地质条件,选择典型坝段建立坝体和坝基的三维有限元模型,采用反应谱法计算分析了该坝的动力响应,研究了该坝的位移、应力和地震加速度的响应及其变化规律,并分析了坝体位移和应力在地震作用加载后的变化情况.计算结果表明,在设计地震作用下,坝体的最大动位移为7.59 mm,发生在坝体顶部;坝体的最大动应力为1.8 MPa,出现在坝踵部位;最大动加速度为1.466 m/s2,发生在坝体顶部.该坝在设计地震作用下强度满足要求.     

含2条偏置三维内裂纹试件单轴拉伸下裂纹扩展数值模拟

为探究不同岩桥角及不同裂纹倾角下的标准立方体试件在单轴拉伸作用下的裂纹扩展及裂纹尖端的应力强度因子的变化规律,利用Franc3d软件对不同方案的含两条偏置三维裂纹的试件进行了单轴拉伸数值模拟研究,同时以单轴拉伸下含单裂纹试件的试验结果作为验证对比,验证了数值模拟的合理性。结果表明,不同岩桥角与不同裂纹倾角下双裂纹试件裂纹之间呈现"相互吸引"与"相互排斥"作用;预制裂纹内侧尖端的翼裂纹扩展小于预制裂纹外侧尖端;相对Ⅰ型应力强度因子随着预制裂纹尖端距离的变化呈现先增大后减小再增大再减小的规律,相对Ⅱ型应力强度因子随着预制裂纹尖端距离的变化呈现先减小后增大再减小再增大的趋势;岩桥角越大,整体上的相对Ⅰ型应力强度因子越小,不同岩桥角的相对Ⅱ型应力强度因子几乎一致;预制裂纹的倾角越大,相对Ⅰ型应力强度因子越小,而相对Ⅱ型应力强度因子总体上越大。研究成果为进一步认识裂纹扩展特性奠定了基础。