含锚杆钻孔线单元的3D-FSM·DDM边界元数值系统开发

为了将已开发的3D—FSM·DDM边界元数值系统应用于新奥法施工中锚杆支护之类的实际问题,在原数值系统的基础上,尝试开发了含锚杆线单元的三维边界元数值系统。其基本思路是,首先使锚杆单元和与之重合的锚杆钻孔单元始终点的位移差相等;其次,将全长黏结式锚杆钻孔单元简化成线单元,并且根据Kelvin基本解求其锚杆线单元的影响系数;最后与自由单元一并考虑并进行耦合,形成求解同一个模型边值问题的三维边界元数值系统。     

预紧力锚杆支护的3D-FSM·DDM数值模拟系统研究与开发

在已经开发的3D-FSM·DDM间接边界元数值模拟系统的基础上,进行含预紧力端锚固锚杆支护功能的数值模拟系统研究与开发。算法的基本思想是:根据岩体与锚杆重合部分两端点的位移差与锚杆相应部分两端点的轴向位移差相等,补充方程数量,并与其他单元在边界条件下联立求解全部虚拟应力未知量;求取后利用其进一步求解围岩任意点的应力、位移及稳定性。所开发的数值系统与FLAC3D数值模拟系统进行了比较,验证本边界元系统的可靠性。开发后的边界元数值模拟系统可广泛应用于矿山、隧道等大型岩土工程的围岩稳定性分析。     

开孔卸压与锚杆加固联合支护的边界元分析

本文首先探讨了开孔和锚杆联合支护问题的三维和二维开孔和锚杆单元的基本解及其相应的边界元数值方法.然后用此数值方法,重点对几类开孔卸压和锚杆加固问题进行了数值计算和机理分析.其结果表明开孔卸压本身就是一种有效的支护方法.值得指出的是,合理地开孔与合理地配用锚杆联合支护可达到比传统锚杆支护更好的支护效果.     

浅埋隧道地表锚杆预加固的空间数值计算模型及分析

本文采用三维锚杆单元,建立了地表锚杆预加固浅埋隧道的空间耦合数值分析模型,编制了空间弹塑性有限元－无限元－锚杆单元耦合程序,并对相关工程实例进行了分析计算,得出了一些对工程设计和工具有指导意义的结论。     

浅埋隧道地表锚杆预加固的空间数值计算模型及分析

本文采用三维锚杆单元 ,建立了地表锚杆预加固浅埋隧道的空间耦合数值分析模型 ,编制了空间弹塑性有限元—无限元—锚杆单元耦合程序 ,并对相关工程实例进行了分析计算 ,得出了一些对工程设计和施工具有指导意义的结论     

三维离散单元法及其应用

 博士学位论文摘要　系统深入地研究了三维离散单元法的基本原理和数值解算方法, 在改进和推广了现有算法的基础上, 自行编制了相应的C 语言程序。采用投影方法求解接触力的作用点和作用面积, 提高了接触计算的精度和速度。用矢量方法推导了三维动态松弛离散元法的理论公式, 为程序编写提供了方便; 同时, 对阻尼和时步采取自动调节技术, 较好地解决了块体间的侵入问题。首次研究了三维静态松弛的离散单元法, 给出了详细的理论推导, 并与动态松弛法相耦合, 克服了两者的缺点; 通过算例的比较, 发现静态方法比动态方法具有更高的效率。提出了三维离散元法中地下水和锚杆的模拟方法, 认为地下水可能诱发滑坡, 锚杆通过悬吊和销接作用对块体产生锚固力。探讨了三维离散元法的数据结构, 提出了地下水、锚杆、边界力等数据的组织方法。论述了三维离散元法的程序编制方法和特点, 分别开发了动态和静态松弛法的C 语言程序。对海冰撞击钻井平台、杨家槽滑坡和长壁工作面覆岩运动规律进行了计算, 从计算后的块体系统变形形态来看, 模拟结果与实际情况大致吻合。     

三维非稳态热传导问题的边界元法

为预测高温岩体热液储层抽取热能的生产能力和寿命，需建立一套数值模拟系统，而人工裂隙与高温岩体间的三维非稳态热传导边界元数值模拟系统就是其中的一个子系统。为此，研究开发了该子系统，将之与解析解验证的结果说明，该数值系统可靠、精度高：另外，针对GAUSS数值积分法的局限性，开发了两种高精度的特殊的积分方法。     

煤巷顶板厚层跨界锚固原理与应用研究

深部采动巷道围岩控制是未来锚杆支护重点攻关方向.以葫芦素煤矿3个时期的煤巷为工程背景,通过钻孔窥视分析顶板渐进破坏特征,指出组合支护协同控制不足和施工效率不高的难题.为此提出单一化厚层支护系统,采用离散元数值模拟研究不同长度锚杆支护下巷道位移和围岩裂隙的演化规律,阐明锚杆长度与围岩损伤之间的关联机制;揭示锚杆端头损伤区...     

高预应力让压锚杆数值模拟方法研究

建议了一种考虑高预应力让压锚杆锚芯与岩石间剪切破坏作用的三维锚杆计算模型,并开发了相应的有限元程序。由于采用2节点三维杆件单元和4节点三维锚杆单元模拟高预应力让压锚杆,使得所建议的模拟方法适用范围更加广泛,可以用于锚索模拟、一般锚杆模拟和抗滑桩等桩结构模拟,且能够很好地模拟高预应力让压锚杆的力学特性。     

土钉支护开挖过程的数值模拟分析

用三维非线性有了限元法对土钉支护开挖过程进行了数值模拟,采用20节点等参元模拟土钉体单元,土体的本构关系为改进的Duncan-Chang双线模型,用三维映射无限元考虑地基边界的影响,数值模拟了边开挖,边安装土要和喷射混凝土面层的施工过程,重点研究开挖过程中土钉受力的变化,土钉的抗拉和抗剪作用以及土要和土体间界面单元的受力和破坏机制。     

流形切割及有限元网格覆盖下的三维流形单元生成

 三维流形单元生成和接触搜索算法问题是制约三维数值流形方法发展的瓶颈问题。系统详细地研究三维流形单元的生成方法,在前人工作基础上,采用三维有限元网格生成技术生成数学网格;通过块体数据结构、块体识别算法等方面的改进,将三维块体切割技术发展成流形切割技术,来解决流形块体生成问题;将石根华博士在二维NMM程序中采用的物理覆盖系统编码算法,扩展成三维流形编码算法,进而实现三维流形单元的生成。并在此基础上开发三维流形切割程序3D_MC.f90,可以实现四面体及六面体网格覆盖下任意形状三维流形单元的生成。通过几个例子可以看出,三维流形切割程序生成的流形块体形态、流形单元的节点与单元编码等均满足三维流形单元定义要求,从流形切割角度来看,说明此算法是正确的。     

深基坑开挖边坡锚杆桩支护系统的有限（线）单元法分析

利用有限（线）单元法分析了悬臂挡土桩的锚杆支护实例工作并将理论值与实测值作了比较。结果表明理论值与实测相吻合，从而说明了锚杆桩支护系统用有限（线）单元法来设计是合理的，也是可靠的。文中对水平地基反力系数的简化计算方法也进行了探讨，为实际工程的有限（线）单元法分析提供了简捷、实用的方法。     

基于三维柔性薄膜边界的土石混合体大型三轴试验颗粒离散元模拟

为了有效模拟土石混合体室内大型三轴试验侧向柔性乳胶膜的力学行为,提出了一种可行的三轴试验侧向柔性薄膜边界的三维离散元模拟方法,即三维组合墙法。结合已开发的不规则块石及土石混合体三维离散元建模方法,建立了可考虑柔性薄膜边界的土石混合体大型三轴试样三维离散元模型。引入平行黏结模型以更好地模拟胶结土石混合体中颗粒间的胶结作用,通过开展大型三轴数值试验逐一全面地标定了无胶结土石混合体和胶结土石混合体数值模型的细观力学参数。分析了无胶结土石混合体和胶结土石混合体数值试样的变形破坏过程及特征,并与室内试验结果进行了对比。结果表明:所提出的三维柔性薄膜边界建模方法原理简单,参数较少,易于实现,且能节省计算资源;基于三维柔性薄膜边界的土石混合体大型三轴试验颗粒离散元模拟能较好地再现土石混合体的应力–应变特征、无胶结土石混合体的鼓肚变形破坏特征、胶结土石混合体变形局部化的过程及其剪切带的细观结构特征。     

三维多向映射无限元及其在道路工程中的应用

 首先在三维单向映射无限元的基础上, 提出了一种能从多个方向延伸到无穷远的多向映射无限元, 然后将其应用到路面结构的非线性数值分析中, 结果表明, 它们能很好地与三维等参数有限单元和单向映射无限元耦合, 且具有节点数目少、精度高、无需改动单元形状和便于网格自动形成等诸多优点。     

粘性液体小幅晃动常单元及线性元的分析比较

采用边界元法对容器中粘性、不可压缩液体小幅晃动进行数值分析。从二维线性化的Navier-Stokes方程出发,推导了该问题分析的边界积分方程。结合边界条件建立了问题的一个边界元数值求解过程。数值处理过程中,利用线性元对边界进行离散,对角点进行了有效处理。数值结果与常单元的数值结果比较表明线性元的计算结果有更高的精度。     

基于限定Delaunay三角剖分和OpenGL的三维地层可视化系统设计与实现

针对三维地质建模工作非常繁琐和复杂,为降低操作人员的劳动强度和提高模型可视化效果,提出一种基于结合限定Delaunay三角剖分和OpenGL进行三维地层可视化的方法。利用限定三角剖分算法可以生成任意边界形态、任意尺寸大小或者带有多个孔洞的地层表面三角网;利用OpenGL的对象拾取机制实现钻孔数据的可视化管理和人机交互地层建模。同时将该方法应用于三维地层可视化系统开发中,系统克服了手工填加虚拟钻孔来提高模型精度的麻烦,可以显著提高三维地层建模的效率和可视化效果。最后利用南京某地区三维地质调查项目地质勘察获取的钻孔数据,进行了实际建模操作。实验结果表明,系统能够快速、准确地构建地层的三维模型,并实现多种模型可视化,为工程勘察信息的管理和分析提供了科学、高效的技术手段。     

地震分析中的人工边界及其在LS-DYNA中的实现

 地震分析中的局部人工边界由于具有易于实现、稳定性较好的特点,目前在时域有限元法中得到广泛应用。基于球坐标系的膨胀波(P波)和剪切波(S波)理论,引入无限介质线弹性本构关系,并采用多个平面子波和远场散射波混合透射,推导一种新的三维黏弹性人工边界方程。在有限元分析中采用边界单元作等效处理,并将地震加速度记录转化为基底边界单元上的等效节点力进行输入,建立一种新的地震反应数值模拟技术。最后以人防工程结构的地震分析为例,利用有限元软件LS-DYNA分析弹性边界、透射边界及黏弹性边界对计算结果的影响。数值模拟表明,黏弹性人工边界简单实用,可解决地震动输入和自由场响应模拟问题,能更好地模拟人工边界外半无限介质的弹性恢复性能和能量辐射作用,并验证其有效性。     

层状场地中二维沉积谷地对弹性波的三维散射

为研究层状场地中二维沉积谷地对斜入射弹性波的三维散射问题,建立了求解问题的移动间接边界元方法。方法通过沿二维沉积谷地轴线方向的傅里叶变换将三维问题降为二维问题,进而在沉积谷地截面内进行边界单元的离散和求解,求得截面内的三维动力响应,然后将截面内的计算结果沿沉积谷地轴线方向进行波数展开即可求得任意位置动力响应。文中通过与前人结果的比较验证了方法的正确性,并以均匀半空间场地和基岩上单一土层场地为例进行了数值计算和分析,给出了一些有益的结论。     

拟协调元新算法

利用理性有限元的基本思想,考虑到拟协调元的求解方法——保留非协调元的线积分项,用围线积分法代替单元函数法——对于单元边界是直线时很容易实现,但是当单元发生弯曲时,精度不易保证。将围线积分法再转化到单元内求解,这样对于单元的边界是曲线的情况同样适用,也容易实现。对于平面和空间问题,将由应变离散的拟协调模式得出的在边界上的积分转化到在单元域内的积分,这样可以利用等参元的形函数很方便的求出单刚。这样做还有一个好处就是:可以很方便的用于弯曲问题,因此可以很方便的推广到空间问题。该单元具有精度高、计算量小、便于应用的优点。     

土石混合体宏细观力学特性和变形破坏机制的三维离散元精细模拟

为了更加精细的模拟土石混合体宏细观力学特性和变形破坏机制,针对已有三轴试验侧向柔性薄膜边界模拟方法进行改进,提出三维组合墙法实现了柔性薄膜边界的三维离散元模拟。结合已开发的不规则块石和土石混合体三维离散元建模方法建立土石混合体大型三轴数值试样,开展数值试验标定土石混合体数值模型的细观力学参数并与室内试验结果进行了对比验证。深入分析不同含石量下土石混合体的宏细观力学特性和变形破坏机制。结果表明:三维组合墙法原理简单、参数较少、易于实现且应用效果较好;大型三轴试验数值模拟能够较好地再现土石混合体宏观的应力–应变特征、强度特性和破坏模式;随含石量增加,土石混合体的骨架结构效应越来越显著;剪切带内土颗粒旋转量较大而块石颗粒旋转量较小,表明剪切面绕过了较大的块石颗粒。