三维DDA与有限元的耦合分析方法及其应用

发展了三维不连续变形分析(DDA)与有限元(FEM)耦合计算的力学模型。通过对三维块体进行有限单元网格剖分,采用有限元法来求解块体内部的位移场及应力分布,块体边界之间的接触则采用DDA方法来模拟,基于最小势能原理建立了三维DDA-FEM耦合方法的总体平衡方程,并详细推导了接触矩阵的表达式。在此基础上编制了相应的计算程序并将其应用到混凝土基础与地基相互作用的变形分析。计算结果表明了该耦合方法的有效性。     

三维块体系统非连续变形正分析模型

将非连续变形分析方法推广至三维，在一定的线性位移模式下，按最小势能原理建立三维块体非连续变形正分析模型，详细推导了荷载子矩阵，惯性子矩阵，位移约束子矩阵和接触子矩阵，给出了相应的公式和算例。     

基于虚单元法的非连续变形分析方法新格式

以块体顶点位移为自由度的非连续变形分析(DDA)方法可有效克服DDA原自由度的局限性,但使用多边形有限元形函数构造的格式计算效率明显不足。针对此问题,建立基于虚单元法(VEM)的DDA新格式,使用VEM表达单个块体的位移,同时保留DDA对于块体接触的分析处理。从块体独立位移空间上双线性格式的计算出发,数学推导给出新格式中块体各项势能的矩阵表达,然后基于最小势能原理建立块体系统平衡方程,最后利用滑动模型明确弹性应变能和惯性力势能计算中的稳定项近似乘子取值。采用3个算例考察新格式的有效性和计算效率,结果表明:新格式可以有效克制块体大转动模拟的体积虚假膨胀,保障接触计算精度,且计算效率明显优于已有的块体顶点位移型DDA格式。     

基于局部凸分解的一般多面体接触搜索方法

为解决任意形状多面体非凸角接触不确定性问题,提出一种较易实现的多面体局部凸分解方案,沿各凹二面角的延伸平面角将任意角分解为凸子角集。采用该方案拓展的一般多面体进入面接触搜索方法具有普遍意义,实现了三维非连续变形分析法(DDA)一般多面体接触计算的功能。最后,拓展后的三维DDA程序展示了一般多面体局部凸分解、接触搜索与计算及碰撞接触力学行为分析方面的强大能力,验证了该方法的正确性和稳健性,表明拓展后的三维DDA程序可用于复杂的多面体块体系统力学行为分析。     

三维不连续变形分析理论及其在岩质边坡工程中的应用

 三维非连续变形分析主要包括3个关键问题：块体系统的拓扑识别问题;单个块体(刚体或变形体)运动方程建立与求解;伴随着块体运动和变形,块体间的接触关系需要不断地判别和更新。针对这3个关键问题,从代数拓扑中单纯形及单纯复合形的概念出发,依靠边界算子来生成三维空间块体的几何识别算法,采用Euler-Poincaré公式来确保块体搜索的准确性;利用单纯形积分来获得块体物理特征量的解析解;在一阶位移模式下,按照最小势能原理建立三维块体系统非连续变形分析的总体平衡方程;针对岩体工程破坏特点,提出面–面接触模型,并在此基础上采用强度折减法来计算岩质边坡的安全系数。由简单楔形体破坏算例可知,三维DDA能够解决由传统极限平衡方法假定条件带来的问题,能够正确计算楔形体破坏的抗滑安全系数。通过工程边坡算例可知,采用三维非连续变形分析方法来研究岩体边坡稳定问题,既能深入理解岩质边坡的破坏机制,又能方便地确定临界滑动块体位置、体积、滑动方向以及相应支护方式等;同时,鉴于DDA方法能够精确地求解切向滑动力,结合强度折减法能够获得比较合理的安全系数。     

一种增广拉格朗日优化方案及其非连续变形分析实现

接触力计算精度是关乎非连续变形分析结果有效性的关键因素之一。经典非连续变形分析法(DDA)采用罚法施加块体间的接触约束,实现简单,但合理的罚值选取困难。因此,提出了一种增广拉格朗日优化算法,改进DDA中接触约束的处理。通过结合开闭迭代算法和自适应罚值更新方案等,提出并实现了多面体DDA增广拉格朗日算法及其优化方案。最后,设计了2个经典数值算例,计算结果表明:改进后的三维DDA提高了计算精度且保证了计算效率,可用于复杂多面体块体系统的非连续力学行为分析,如大型节理岩体工程稳定性分析。     

三维高阶DDA方法的静力分析研究

 借助于DDA方法以“体”为研究对象的潜在优势进行连续结构的静力分析,突破网格相容条件的限制,有利于简化前处理。同时,采用高阶位移模式,在将空间几何形体简单地划分为单个或数个体的条件下,能获取较高的求解精度。遵循以上思路,定义“连接面”、“连接点对”的概念,给出DDA块体在连续系统中所需满足的变形协调条件,推导三维高阶DDA方法的基本公式,包括弹性子矩阵、初应力荷载矩阵、点荷载矩阵、体荷载矩阵和固定点矩阵及相邻块体间的连接矩阵,最终建立三维连续结构的高阶DDA整体平衡方程。最后编程实现上述思路,采用有解析解的经典算例并结合一定网格密度的有限元解进行比对分析,结果表明DDA方法应用于连续结构静力计算的可行性与优越性。     

三维非连续变形分析方法中摩擦接触问题的研究

采用罚方法将界面约束引入三维块体系统非连续变形分析总体平衡方程,详细推导了摩擦接触子矩阵并给出了接触状态(张开、滑动和固定)模式变化准则及开-闭迭代操作.物理模型试验和节理岩体边坡楔形破坏的仿真模拟表明,该方法是有效的.     

基于Voronoi多边形离散的DDA方法模拟岩石破坏

非连续变形分析(DDA)方法是为模拟可变形离散块体系统而提出的一种隐式离散元方法.考虑到真实岩石的细观晶粒结构更加接近于Voronoi多边形,将建立基于Voronoi多边形离散形式的DDA方法,并将其与基于三角形离散的DDA方法进行对比分析.首先研究不同子块体尺寸对材料弹性参数的影响,并对比2种离散方法在子块体数和接触...     

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。