隧道层状围岩体变形分析新方法研究

传统离散单元计算方法(包括UDEC和DDA法)适合于求解岩土工程中有较多地质界面的问题,分析层状围岩体或大块体时仍需要离散化为若干小块体,为此增加许多不必要的人工界面,而有限元法等连续性方法并不适合表达有较多非连续面的问题.为此以DDA法为基础,建立无网格法高阶插值的DDA块体模型,原理上即利用无网格插值或近似方法如移动最小二乘法等,以获得离散大块体的复杂位移变形场,遵循原DDA法建立块体系统刚度矩阵、进行动力迭代分析的基本原理,实现无网格法与DDA法内部耦合分析.新方法模型针对层状围岩体,在建模分析上方便直接,数值算例表明对隧道层状围岩体分析结果是合理有效的.     

二点接触单元法及其数值验证

提出了二点接触单元法的概念及构造方法,推导了相应的刚度矩阵方程。二点接触单元是由2个节点(即一个接触点对)及其相应的影响域构成。每个接触单元的节点力大小只决定于单元自身接触点对的相对位移,而与其他相邻接触点对的相对位移无关。它在插值方式上摒弃了传统节理单元的插值方法,而是采用影响函数进行插值,这样在有限元处理上不必考虑其他接触点对相对位移的影响,这使得接触单元在构造形式上更为简洁,应用上更具灵活性,能够处理较为复杂的节理问题。最后,通过一个简单的节理模型算例,表明该方法是有效的。     

无厚度三节点节理单元在裂纹扩展模拟中的应用

节理厚度在实际工程中很难用常量描述,为便于描述节理的力学行为,在原三节点节理单元的基础上构造无厚度三节点节理单元,并推导出相应的刚度矩阵。由于三节点节理单元与原三角形单元共享节点,因而它在模拟裂纹扩展过程中无需对网格进行重新划分;另外,在网格剖分时,也无需考虑裂纹体的几何完整性,可直接对结构进行三角网格剖分。因此,该方法可为裂纹的模拟提供极大的便利,并显著提高计算效率。相应的大理石模拟试验表明,该方法在岩石裂纹扩展的模拟中是有效可行的。     

应用单元劈裂法模拟三维内嵌裂纹扩展

 对于岩石内嵌裂纹很难通过物理试验进行研究,在应用有限单元法模拟内嵌裂纹扩展时,三维节理面建模、网格划分以及节理扩展后的网格处理一直是难点问题。为简单、高效地分析含有内嵌型不连续面的节理岩体的破坏模式,利用三维单元劈裂法来解决这一问题。单元劈裂法是利用四面体单元的几何性质来构造的一种特殊的四结点节理单元。当有裂纹穿过四面体单元时,位于裂纹两侧的结点可形成3或4个接触点对,由此推导出劈裂单元的刚度矩阵。采用该方法模拟内嵌裂纹扩展时,可以不用考虑节理岩体的几何完整性,而直接对整个岩体进行网格划分。因而一些单元则被内嵌裂纹相切,对于与裂纹相切的单元采用劈裂单元刚度矩阵,而其余单元则采用常规单元刚度矩阵。由此免去了单独设置三维节理单元的麻烦以及为设置节理单元而不断改变网格划分方案的麻烦。这种优势在裂纹数目较多时尤为突出,非常适合节理岩体计算。通过对内嵌椭圆裂纹扩展模拟并与相关物理试验做对比,得出该方法能够再现三维内嵌裂纹扩展的基本特征,说明该方法是有效的。     

基于水平集坐标的二维压剪节理动态扩展过程无网格法模拟研究

 发展能有效模拟岩体节理拉压破坏动态扩展过程的无网格模拟方法,构造岩体节理张开和闭合接触摩擦行为的无网格法近似函数,采用水平集坐标描述和捕捉节理在扩展过程中的几何信息。当节理张开时,引入断裂线,并采用衍射准则引入位移跳跃项。当节理闭合时,提出类似于Goodman接触摩擦单元的无网格近似函数构造方法,考虑节理面上、下两侧的相对滑动和法向接触。与Goodman单元或以往的无网格模拟不同,本文的接触方法基于材料点而非结点,并与水平集坐标更新算法结合,在处理节理模型生成和动态扩展后的模型更新上更灵活、简便,且具有通用性。通过测试拉剪、压剪破坏单节理和雁行节理的静态和动态破坏扩展过程的算例,验证了本文方法的正确性和有效性。     

考虑尺度效应的二维问题ANSYS二次开发

有限元法节点布置方案采用与无网格法相同的节点布置方案,不含高阶梯度项刚度矩阵采用有限元法计算,应变梯度刚度矩阵采用无网格法计算。将应变梯度刚度从整体刚度矩阵中离散出来编写FORTRAN计算程序,将编写的程序通过UPFs用户子程序加入到ANSYS整体刚度矩阵中,计算结构的尺度效应问题。     

初始扭转欧拉梁有限元力学模型研究

基于传统欧拉直梁力学模型,对初始扭转欧拉梁有限元模型进行系统的分析与研究。采用2节点12个自由度模型,单元轴向位移插值函数采用2节点拉格朗日插值函数,梁截面横向弯曲位移u,v仍采用三次式位移模式。绕梁轴扭转角位移函数φz同轴向位移函数一样采用2节点拉格朗日插值函数。首先基于作者先前文献中初始扭转梁的弯曲正应变关系,导出初始扭转欧拉梁单元刚度矩阵。最后,通过矩形截面初始扭转悬臂梁算例,并与ANSYS三维实体有限元分析结果进行对比分析,表明建立的初始扭转欧拉梁单元刚度矩阵具有良好的精度。     

基于能量变分剪切效应空间梁单元刚度矩阵及荷载列阵推导

为了系统研究空间梁单元考虑剪切变形影响时的刚度矩阵及荷载列阵,将能量变分原理应用于空间梁的单元分析。建立了考虑剪切效应的空间梁单元位移函数,利用最小势能原理导出了这种空间梁单元的刚度矩阵和荷载列阵的表达式,显式积分得到单元刚度矩阵,同时计算了平面内部分非节点荷载作用下的等效节点荷载,修正了相关文献中的部分错误。计算结果表明:该方法所得到的单元刚度矩阵与相关文献中其他方法的计算结果完全一致,为编制空间巨型结构的有限元程序奠定基础,对推算其他类型单元刚度矩阵及其荷载列阵也具有理论意义和应用价值。     

三维有限元网格加密界面协调方法及在大坝开裂分析中的应用

 根据最小势能原理, 将有限单元疏密网格之间的界面刚度耦合到总刚中, 保证该界面两侧各相应点的位移和应变在界面上协调。使三维有限元疏密网格的过渡易于实现, 简化前处理工作, 使对有限元网格进行局部加密并追踪裂纹扩展易于实现。     

不连续岩体渗流的复合单元法初步研究

基于复合单元法的原理，提出了不连续岩体三维渗流的新算法。该算法具有以下3个主要特点：（1）不连续面（如断层或节理）含于复合单元之中，在划分网格时不予考虑，使网格的生成大大简化：（2）复合单元中可含有由不连续面分割而成的任意形状的子单元，每个子单元各有一组用于插值的映射节点水头。子单元的水头势、流速由相应映射节点水头计算得到，而复合单元中不连续面上的水头势、流速则由其相邻的2个子单元的映射节点水头计算得到；（3）复合单元中映射子单元的节点水头求解过程与传统有限元法类似，不含不连续面的单元自动退化为常规有限单元，因而复合单元法计算程序可以方便地与传统有限元分析程序融合。简单模型算例验证了该算法的正确性，而重力坝算例则表明该算法的有效性和在前处理上的优越性。     

盾构管片接头接触面缺陷模型分析

为合理确定盾构管片接头节理单元（goodman单元）法向刚度,首先采用经典弹性接触理论与试验结果进行了对比,在经典弹性接触理论的接触面光滑、弹性假设与试验数据发生背离的背景下,提出了“接触面缺陷”假设,认为计算模型中的节理单元实质上是用来描述物理模型中的因“接触面缺陷”引起的初始非线性位移,而节理单元法向刚度实质上是轴力与接触面初始非线性位移关系的割线刚度。并以此为基础,提出节理单元法向刚度的确定方法以及相应的验证方法。与试验数据的比较和验证表明,以本方法确定的参数进行的反分析结果与实测的管片轴向位移以及弯矩-转角曲线非常吻合,本方法可得到试验数据的有力支持,是可行的。     

动力分析的块体单元法(英文)

介绍了阶谱块体单元法的基本理论和应用,提出了动力分析的块体单元法表述公式。首先,简要回顾了块体单元法的发展历程,阐释了"覆盖"的新概念,介绍了块体单元法的静力平衡方程组,应用p型有限元法的形函数,将块体的位移场表达成为所谓的广义自由度的函数.然后,给出了广义质量矩阵、广义刚度矩阵和广义阻尼矩阵的具体表达式,通过它们将分布于块体内部的与时间有关的广义弹簧力、广义惯性力和广义阻尼力分别转移到覆盖单元的结点上.随后,基于虚功原理、变形协调条件和本构关系,推导了块体动力系统的控制方程组.最后,研究了一个简单算例,将计算结果和解析解进行了对比,对比结果说明了所提出方法的正确性和有效性.     

三维块体离散元可变形计算方法研究

 在三维刚性块体离散元的基础上,研究可变形块体离散元方法,并编制相应的可变形块体离散元程序。该方法把块体单元看作弹性体,并对其划分有限元网格,对每个可变形单元的计算是假设在力边界条件下求解可变形单元的节点位移;可变形块体之间力和位移的传递是通过构筑的节理单元实现的,节理单元反应岩土工程中实际节理的变形性质和强度特征,结构面破坏前,体现了连续介质计算方法的特点,结构面如果发生破坏,预设节理处的节理单元直接转变化为法向和切向弹簧,体现了离散元计算方法的特点。另外,节理单元有实际的厚度,可以根据实际节理的性质确定计算参数,这一点也体现出了对刚性块体离散元方法的改进。与刚性块体离散元方法比较,该方法可以反映岩体变形性质,如泊松效应、三维岩体中的真实波速,它还可以模拟结构面的破坏演化过程;与有限元方法比较,它可以更好地描述岩体中节理的特征,允许单元有较大的位移;相对于以前的可变性离散元方法,它既克服了有限差分格式带来计算上的复杂,又建立在三维模型的基础上,为有关岩土工程的数值分析提供了一个可行的数值方法。     

含裂纹体的数值模拟

不连续体的数值模拟一直是工程界的热点和难点问题,特别是动态裂纹的追踪问题,由于该问题具有重要的现实意义,一直是大家关注的问题。扩展有限元是近几年出现的一种可方便模拟静态、动态裂纹的数值方法。据此,给出了这种在常规有限元框架下可模拟强不连续问题(位移)和弱不连续问题(应变局部化)的数值方法。在常规有限元位移模式中,基于单位分裂的思想加进一个跳跃函数和渐进缝尖位移场,对不连续体附近的节点自由度局部加强,反映出位移的不连续性,这样不连续体和有限元网格可以互相独立。详细给出了扩展有限元的基本原理,导出了相应的公式,给出了一种求解不连续函数的积分方法和缝尖应力强度因子的计算。算例分析表明,扩展有限元能方便有效地模拟不连续性问题,且能大大缩短前处理时间,是一种具有应用前景的模拟不连续问题数值方法。     

接触元初始刚度系数对软土深基坑变形的影响分析

 用Goodman 单元模拟土与结构的相互作用, 并结合上海黄浦江行人隧道浦西竖井深基坑工程, 利用有限元方法分析了Goodman 单元的刚度系数对地下连续墙的位移、墙后的地表沉降的影响, 对软土深基坑的数值计算和信息化施工时接触元刚度系数的选取具有重要意义。     

非协调四结点平面等参位移元新列式方法

本文导出一种等参协调元位移函数的新的表示方法,在此基础上建立起了构造等参非协调元的新方法。作为实例,构造两个可以给出单刚显式的四结点平面非协调新单元。     

土工织物加固软土路基效果分析

1引言虽然土工织物在软土路基的加固中得到了广泛的应用,但该技术的设计理论及计算方法还不成熟,远远落后于工程实际的需要[1]。实际工程分析中,通常采用传统的极限平衡分析方法来探讨土工织物的加固作用[2]。然而,在分析时却不能很好地反映土工织物与路堤土之间的变形协调关系     

某深基坑开挖的三维有限元模拟与分析

对上海市轨道交通6号线Ⅶ标车站基坑工程进行了三维有限元分析与模拟。根据工程实际建立计算模型,并把计算结果和实测数据进行比较,证实了考虑围护结构和土体共同作用的有限元分析是合理的。具体分析了影响墙体和土体变形的因素,计算结果表明,围护结构的刚度、土体的参数对墙体水平变形有很大影响,温差较大时在围护结构上产生的附加变形和支撑次应力不容忽视。     

平行圆管空心双向板的超级有限元分析

针对平行圆管空心双向板采用普通有限元方法进行分析特别耗时,甚至可能无法用计算机求解的问题,将超级有限元的基本思想和方法应用于这种结构的分析中,以达到简化计算的目的。采用考虑横向剪切变形影响的八节点平壳单元作为超级单元,以八节点三维实体等参数单元为子单元,给出了各自的位移模式及位移转换矩阵,并编制了相应的计算程序,对不同跨度、边长比和边界条件的空心板进行了超级有限元分析和普通有限元分析,通过对比上述2种方法的挠度计算结果,证明了超级有限元方法的简便实用性。