基于光滑有限单元法的土石坝无压渗流场数值模拟

获得自由面准确位置是无压渗流分析中最被关注的问题。采用光滑有限元法对土石坝无压渗流场进行数值模拟,对不同模型的自由面位置进行求解,研究了渗透异常体对自由面和渗流参数的影响。根据梯度光滑技术,建立了无压渗流问题的光滑有限元模型,该方法的优势在于将单元面积分优化为沿单元边界的线积分,简化了边界相交单元的内部积分过程,降低了单元畸形对计算结果的影响。通过将矩形均质坝和梯形均质坝的经典算例计算结果和其他数值方法的结果进行对比,说明了本文提出的方法的可行性。进一步研究了不同的渗透率异常体对水头分布、渗流速度和流体压力等渗流参数的具体影响,这些结果为利用渗流参数分布的变化反演渗透异常体位置,以及进行土石坝多场耦合提供了理论依据和可行策略。     

求解无压渗流场的一种新方法

针对现有几种固定网格法的缺陷。本文提出了加密单元高斯点的方法，调整穿越自由面的单元渗透矩阵，迭代求解无压渗流场。文中介绍了加密高斯点法基本原理、逸出面的处理及渗透体积力的计算等问题，还提供了一个船闸边坡三维渗流场分析的实例。     

改进的单元渗透矩阵调整法求解无压渗流场

针对现有单元渗透矩阵调整法解决无压渗流问题的不足，本文提出了改进算法，该法在调整渗透矩阵时对单元不同高斯点取不同的渗透系数，水上高斯点取原值，以此原则计算单元渗透矩阵，从而避免了单元被自由面切割部分的体积求解，文中中同时对溢出面的处理提出了新的见解。经实例证明，本方法是有效可行的。     

数值流形法覆盖系统并行生成算法研究

计算效率低是当前制约数值流形法应用于大型实际工程模拟的瓶颈问题,并行计算作为一种加速计算技术,能有效地提高数值流形法的计算效率。在串行算法基础上,系统研究了基于分布式内存编程模式的数值流形法覆盖系统和流形单元并行生成算法。首先,在分析并行算法与串行算法不同点和难点的基础上,采用区域分解算法实现并行任务分配,并提出覆盖系统并行生成主要步骤。采用临时规则粗网格形成负载均衡的子区域,提出相应子区域生成算法。其次,在深入分析数值流形法数学覆盖、物理覆盖和流形单元之间关系基础上,探讨并行算法中子区域覆盖系统生成的关键技术,以及物理覆盖和流形单元编号规则。然后,针对并行算法提出了建立覆盖系统界面信息算法,为数值流形法并行计算过程中通讯和数据交换提供支持。最后,在覆盖系统并行生成算法基础上,采用C++面向对象编程技术开发了相应程序。2个算例结果验证了算法正确性和有效性,为后续并行模拟提供了前处理器。     

有自由面渗流分析的丢单元法的改进及其在地下工程中的应用

在现有的有自由面渗流分析的丢单元法的基础上进行了改进。对含自由面单元,按复合材料单元进行处理。对丢单元,引入空单元的概念进行处理。算例表明,改进后的丢单元法具有收敛性好,编程简单,计算精度更高的特点。最后用此法成功求解了漫湾水电站二期工程地下厂房围岩的复杂渗流场,并在此基础上分析了渗流场分布的主要影响因素的影响,进行了现拟渗控设计方案分析。     

基于独立覆盖流形法的板壳与实体单元刚性连接研究

有限元计算中,板壳单元与实体单元之间的连接需要进行特殊处理,且两者在连接处的网格必须匹配。前期基于独立覆盖流形法提出了梁板壳数值分析的分区级数解。在此基础上,研究了板壳与实体单元的刚性连接。由于板壳也采用了实体计算模式,因此与实体之间通过覆盖重叠区域自然连接。基于覆盖任意连接的特性,将板壳插入到实体中形成覆盖重叠区域。实体单元和板壳单元可以各自划分网格,在连接处不必要求网格匹配,有利于前处理工作,在网格划分达到一定密度的情况下能得到高精度的计算结果。通过变截面的悬臂梁算例、球面壳与实体基座连接算例,验证了方法的有效性,并初步展示了曲壳与实体相交曲线的精确几何。此外,还修正了新方法的三维弹性矩阵。     

NUMERICAL ANALYSIS OF SATURATED-UNSATURATED SEEPAGE FLOW IN FRACTURED ROCK MASS DUE TO SURFACE INFILTRATION

1 .　ＩＮＴＲＯＤＵＣＴＩＯＮＴｈｅｐａｒｔｆｒｏｍｗａｔｅｒｔａｂｌｅｔｏｇｒｏｕｎｄｓｕｒｆａｃｅｏｆ ｆｒａｃｔｕｒｅｄｒｏｃｋｍａｓｓｉｓａｎｕｎｓａｔｕｒａｔｅｄｒｅｇｉｏｎｗｈｉｃｈｉｓｎｏｔｆｕｌｌｏｆｗａｔｅｒ.Ｔｈｅｒｅｆｏｒｅ ,ｓｅｅｐａｇｅｆｌｏｗｉｎｆｒａｃｔｕｒｅｄｒｏｃｋｍａｓｓｄｕｅｔｏｓｕｒｆａｃｅｉｎｆｉｌｔｒａｔｉｏｎｉｓａｓａｔｕｒａｔｅｄ ｕｎ ｓａｔｕｒａｔｅｄｓｅｅｐａｇｅ ｐｒｏｃｅｓｓ .Ｄｕｒｉｎｇｒａｉｎｆａｌｌ (ｏｒｆｌｏｏｄｄｉｓｃｈａｒｇｉｎｇａ…     

数值流形法独立覆盖区域的一种自动选取方法

部分重叠覆盖的数值流形法是一种以独立覆盖为主的分析方式。为了在常规尺寸单元的数学网格中自动选取独立覆盖区域,应用图的着色方法将数学网格的单元分为若干个独立集。在此基础上,以独立覆盖区域最多为原则,选择用于定义独立覆盖的单元(其所有结点覆盖合并为一个覆盖),其余单元作为重叠区域以保持连续性,不属于独立覆盖单元的结点作为常规的结点覆盖。通过算例,揭示了重叠覆盖间的线性相关仅存在于数学网格边界上的结点覆盖,覆盖合并可以减少整体刚度矩阵零特征值的数目,甚至完全避免线性相关。     

土石坝渗流计算中的有限元应用研究

分析探讨了有限元法应用于土石坝渗流计算存在的渗流自由面迭代、单元格剖分不当、自由面边界条件转化以及不同材料交界面边界条件渗透系数选取等问题,提出了相应的解决方法。采用该解决方法,对某堤防工程应用常规有限元软件进行了渗流计算和稳定渗流分析,得到了满意的结果。     

基于CAD几何的数值流形方法初步研究

计算机辅助工程中的设计—分析—再设计的反复过程,蕴含着计算机辅助设计(CAD)与计算机辅助工程分析(CAE)相融合的迫切需求。提出基于CAD几何的数值流形方法:按照CAE真实物理场分布的复杂程度来布置数学网格和设置近似函数阶次,比等几何分析方法更合理;只需引入自动且快速的切割操作,就能实现CAD模型进入CAE后无需修改而直接建模;针对以往的流形法需要将曲线边界离散成折线的问题,给出了曲线边界与网格直边的切割算法,实现了几何模型在CAE建模和网格细化中的保形性;针对流形法通常使用的多项式近似函数,推导了曲线“近似”单纯形的解析积分公式并应用于带有曲线边界的流形元的精确积分运算;最后通过平板内的圆孔算例验证了方法的可行性。该方法对CAD和CAE的融合提出了全新的思路,为实现CAD进入CAE后的自动化分析打下了基础。     

基于Level-Set法的有限元非饱和渗流方法在黄壁庄水库中的应用

针对传统非饱和渗流分析方法中忽略气相作用而导致无法处理气相参与的含自由面渗流这一问题,建立了一种耦合Level-Set法的有限元非饱和渗流分析方法。该方法基于有限元非饱和渗流分析理论,利用Level-Set方法隐式地捕捉自由界面,考虑了入渗过程中的气相可压缩性,能够反映多孔介质中水气两相界面的运动与融合,可以用来求解常规方法无法处理的气相参与的含自由面渗流问题,同时具有自由面构造简单、计算稳定性好、收敛速度快等优点。本文将该方法应用于黄壁庄水库在库水位骤升后出现坝前水面冒泡现象的原因分析中,模拟了该水库坝前水-气两相运移过程,揭示了冒泡现象发生的原因。计算结果表明,此方法可简单、直观地描述水气界面在多孔介质中的运动过程,模拟结果与实际情况较为符合。研究表明,黄壁庄水库坝前水面出现冒泡现象是由水位骤升将铺盖内的空气封住,并随水体入渗压缩空气,出现憋气现象,最后气体释放所致。     

部分重叠覆盖的数值流形方法初步研究

数值流形方法（简称流形法）采用基于完全重叠覆盖的有限元网格作为数学网格,物理网格与数学网格的不匹配导致结构一些关键部位的计算精度下降。针对此问题,首次提出部分重叠覆盖的流形法,采用以独立覆盖为主的分析方式,独立覆盖之间仅用较小的部分重叠区域保持连续性,从而将现有的基于完全重叠覆盖的流形法扩展到一般意义上的流形研究。对矩形部分重叠覆盖进行初步研究,通过单个矩形数学网格各结点之间的自由度约束方式,很方便地将完全重叠的覆盖形式及流形法公式转化为部分重叠的覆盖形式及公式。算例分析初步验证了这种新型流形法的有效性。     

具有自由面渗流问题的数值方法研究简述

基于具有自由面渗流问题的特点,简述当前国内外求解渗流自由面数值方法的研究现状。首先,概括具有自由面渗流问题的特点;其次,对具有自由面渗流问题的数学模型进行了总结;最后,论述求解渗流自由面的各种数值方法,尤其对目前广泛应用的有限元法进行了分析比较。     

五强溪船闸裂缝的流形元模拟

对流形元法进行了扩展，开发了考虑裂隙渗流和变形耦合作用、用断裂力学法模拟离散裂缝的扩展及用杆单元模拟钢筋作用的流形元法，用以模拟钢筋混凝土结构在水压荷载作用下的破坏过程。用扩展后的软件模拟分析了五强溪船闸闸墙的大变形问题。模拟结果表明，五强溪船闸闸墙的超标变形是由于闸室底部大量纵深裂缝所致，缝内渗透压力在裂缝扩展中起了重要作用。建议船闸提高水位运行前应做止水或加固处理。     

基于MSC.Marc的边坡渗流及稳定有限元分析

利用MSC.Marc软件提供的用户子程序,对MSC.Marc进行二次开发。采用死活单元技术和折减过渡单元虚区高斯点渗透系数的方法对边坡的稳定渗流场进行分析,由各节点水头值分析单元所受渗透力,并以其代替周边孔隙水压力施加于土体单元,最后采用有限元强度折减法进行渗流作用下边坡的稳定性分析。算例表明,基于MSC.Marc软件分析边坡的渗流及稳定是可行的。     

龙滩碾压混凝土坝渗流场与应力场耦合分析

结合龙滩碾压混凝土重力坝的渗透特性,考虑碾压混凝土层面渗流及其力学效应以及坝体应力状态对层面渗透性的影响,采用碾压混凝土坝渗流场与应力场耦合分析的数学模型及其有限元数值解法,对龙滩碾压混凝土重力坝进行了渗流场与应力场耦合分析,为工程设计提供了参考依据.     

基于流形元群缝追踪的钢筋混凝土结构破坏模拟

对石根华提出的流形元法进行了改进,在一阶位移形函数的基础上扩展到二阶位移模式,开发了用断裂力学法模拟离散裂缝的扩展及用杆单元模拟钢筋作用的流形元法,用以模拟钢筋混凝土结构破坏过程。对于含有大量节理裂隙的结构,采用传统的摩尔-库伦准则,允许裂缝不仅沿原有的不连续面扩展,而且可以穿过完整介质,导致结构体的破坏。用扩展后的软件模拟钢筋混凝土梁结构的破坏,考虑变形和渗流耦合作用,分析了五强溪船闸闸墙的大变形问题。结果表明,破坏形态符合实际情况,并且再现了结构破坏过程,为今后研究此类问题提供了新思路。     

无压渗流有限元分析的改进初流量法

目前常用的裂隙岩体渗流等效连续介质模型中在初流量域的积分误差是由于积分中选择高斯点作为初流量判定依据和积分值所致。因此本文引入连续调整系数法对利用初流量法求解自由面的计算精度问题进行了改进,并利用矩形均质坝渗流的实例对改进模型计算精度和收敛性进行了验证。实例表明,经改进的初流量法稳定性和收敛性良好。     

ANSYS软件在土坝渗流稳定计算中的应用

根据基本方程及定解条件的比较分析，将ANSYS软件的温度场分析功能应用于渗流场的分析，并采用死活单元技术，通过迭代算法计算自由水面位置(浸润线)，解决了土坝渗流稳定问题的求解。该方法可以解决复杂边界、多种介质的渗流问题，为工程应用提供极大的便利。     

粘土心墙坝渗流场分析

通过渗流场和温度场的基本微分方程及边界条件的比较分析,将ANSYS软件的热分析模块应用于渗流场的分析,并采用生死单元技术,通过迭代算法计算自由水面位置（浸润线）,解决了某实际工程粘土心墙土石坝渗流稳定问题的求解。该方法可以解决复杂边界、多种介质的渗流问题,同时为其他实际工程设计应用提供了强有力的手段。