一种岩石损伤流变模型及数值分析

根据石膏角砾岩的蠕变特性,建立石膏角砾岩的损伤流变模型;推导有限元计算中黏弹塑性损伤流变模型黏性应变的计算公式,结合初应变法的基本原理,分析模型的有限元求解过程;用MATLAB编制了损伤流变模型的平面应变有限元计算程序。利用编制的程序对石膏角砾岩蠕变试验进行有限元分析,有限元计算结果与蠕变试验结果吻合得较好,表明采用统计损伤理论研究岩石的非线性流变是可行、有效的。     

流变学及有限元法在软岩隧洞中的应用

近年流变力学和有限元法相结合应用于工程实际，文章介绍了一种适用于岩土材料（尤其是软岩）的流变学模型──弹粘塑性模型及由此模型编制的二维有限元程序，推导了由岩石单轴瓦三轴蠕变试验历时曲线求材料流变系数的公式，并给出了粉砂岩单轴和三轮下的流变系数。最后，应用二维弹粘塑性程序计算了甘肃省某新奥法施工的软岩隧洞，计算结果与量测值非常接近。     

基于非饱和蠕变模型的滑坡长期变形数值模拟

绝大多数滑坡的发生都与水直接相关,滑坡土体经常处于非饱和状态,而坡体的失稳破坏大都经历了一个时间过程,即滑坡变形具有蠕变性质。因此,绝大多数滑坡的失稳过程实质为非饱和蠕变过程,数值模拟时考虑渗流耦合蠕变效应更能符合滑坡变形的真实状态。根据前期研究成果所得的非饱和土非线性蠕变模型及其三维形式,采用试验数据对模型进行验证。由于常规商业有限元软件没有提供适合特定土体的非饱和蠕变模型,编制了基于渗流及蠕变耦合计算的有限元计算程序,并利用该程序对树坪滑坡在库水位变动下的变形过程进行了数值模拟。结果表明,计算结果与实际变形的监测值趋势比较接近,说明本文所建立的蠕变模型合理,编制的程序可靠,可用于实际滑坡的长期变形计算。     

多孔介质上浅水流动的数学模型

采用有限元方法,建立了多孔介质上地下渗流和地表径流的数学模型以及相互耦合的数学模型,编制了有限元分析的计算程序,并分别对渗流模型和径流模型进行了验证。给出了实际降雨强度曲线条件下,坡脚的出流过程和入渗率变化过程的模拟结果,计算结果表明,该模型为分析降雨条件下滑坡的稳定性提供了更为精确的水荷载,具有一定的工程实用价值。     

基于CFD及FEM的某分水口拦漂导流设备性能分析

为了研究多孔板的流体动力性,借助多孔介质模型、Darcy定律和最小二乘法搭建了可计算的复杂透水导流板的CFD数值计算模型,并分析了多孔介质模型和实体孔板模型的异同,对比显示:采用多孔介质模型具有一定的合理性和可行性。在此基础上,构建了包含多孔介质模型的全尺寸分水口渠道流固耦合模型,数值计算结果表明:支撑桁架能够满足强度的要求;最大位移为3.25 mm,能够保证多孔透水导流板的平整性。分水口中回流区的存在,使该拦漂导流设备在阻拦一定体积的污物进入分水口的同时,还具有一定的自清洁能力。     

二元介质模型在黄土增湿变形分析中的应用

在作者建议的二元介质模型中，黄土的变形模量随饱和度的增加而减小，当饱和度与吸力的关系已知时，模量将随孔隙水压力的增大而减小。在此基础上，文中推导了增量型的广义有效压力公式，其孔隙水压力与应力张量成正比，从而不再是标量。文中将上述公式代入平衡方程，推导了不用初应变法而算出湿陷变形的直接算法，并编制了孔隙水压力与土骨架变形的耦合分析有限元程序，用于室内单轴压缩试验和现场荷载板浸水试验的计算，得出了合理的计算结果。     

水气二相渗流与双重介质变形的流固耦合数学模型

为了真实反映地质岩体系统内孔隙、裂隙对发生于其中的物理过程的控制与影响,基于岩体渗流水力学和多相渗流力学理论,将工程地质体简化为孔隙一裂隙双重介质,建立了水气二相渗流与双重介质变形的流固耦合数学模型,采用Galerkin有限元方法推导了相应的有限元方程,编制出三维有限元计算程序。算例表明：双重介质模型能够比较准确地描述地质体的结构;在进行注水井数值实验模拟时,考虑耦合与不考虑耦合时的孔隙压力的差别随时间的推移会越来越大。     

不同边界条件对孔隙介质渗流-应力耦合的影响

以孔隙介质的流体力学和连续性介质弹性力学为理论基础,建立多孔连续性介质的渗流-应力耦合模型,根据4种不同的边界条件,采用Flex PDE有限元计算软件编程分别求解4种边界条件下渗流-应力耦合的数学模型。比较4种不同的计算结果,分析表明,不同的位移场或渗流场边界条件会对渗流-应力耦合效应产生较大的影响。     

含柔性沉水植物河道水力特性三维数值模拟研究

采用RNG k-ε双方程湍流模型,VOF法追踪自由水面,对含柔性沉水植物河道的水力特性进行三维数值模拟研究。将柔性沉水植物区域简化为多孔介质区域,以多孔介质模型来模拟柔性植物对河道水流的影响,设定多孔介质模型对湍流的生成和耗散没有影响,以植物带前后压强差确定多孔介质模型的渗透率,以柔性植物所占空间体积比确定多孔介质模型的孔隙率。模拟结果给出了河道沿程水位曲线、流速和紊动强度等参数的垂线分布。最后,将数值模拟计算结果和试验实测结果进行了对比,两者吻合较好,这表明以多孔介质区域代替柔性沉水植物进行数值模拟是可行的。     

施工期混凝土浇筑块的徐变断裂分析

本文将线性徐变理论和分别以主应力、主应变控制的分散裂缝模型相结合,推导出计算混凝土浇筑块温度徐变应力的有限元递推公式,并编制了计算机程序。最后以东江拱坝基础部分浇筑块为例进行了分析,计算结果与观测结果吻合。     

基于改进FV-LBM的多孔介质渗流模拟

提出了一种新的基于Brimman -Forchheimer方程的多孔介质流动格子Boltzmann法的有限体积形式（FV-LBM）。在该方法中,多孔介质效应通过将外力引入格子Boltzmann方程中,并通过以单元为中心的有限体积法求解,同时将权重的校正因子引入进来以提高数值计算的稳定性。用该方法验证了完全多孔Poiseuille流和Couette流,数值计算结果与理论解吻合较好。而且还用该方法模拟了具有均匀和非均匀孔隙度的裂隙-孔隙模型,结果表明：当达西数增加时,多孔层中的速度增加;而当裂隙区域的速度峰值减小时,速度轮廓接近抛物线。研究成果为多孔介质渗流模拟提供了有效途径。     

用坐标变换求解任意形状区域内的流体流动和传热

本文利用坐标变换将物理平面上任意形状的区域变换到计算平面上规则的区域。并对任意放置的梯扇形闭包内的自然对流、多孔介质中流体的流动和传热以及空腔强迫对流三种情况用涡量-流函数法进行了计算。利用编制的数据处理软件对计算结果进行了处理。     

一种裂隙岩体渗流场有限元分析的改进模型

研究裂隙岩体渗流的模型有等效连续介质模型、裂隙网络模型和双重介质模型等。等效连续介质模型受到样本单元体REV的限制,裂隙网络模型和双重介质模型复杂,处理难度较大。为此,在分区的同时考虑结构面和岩块的渗透特性,并考虑结构面法向与岩块之间的水力交换,利用两类介质接触处水头相等及节点流量平衡建立新的模型。对所建立模型的渗流场有限元公式进行推导,并通过与试验结果对比验证了该模型的正确性及实用性。     

考虑渗流应力耦合的XFEM水压致裂模拟

推导了含裂隙饱和多孔介质的水压致裂全耦合问题的扩展有限元增量迭代求解格式。通过对含中心裂纹无限大平板的裂尖位移场解析解的分析,按Ⅰ型和Ⅱ型变形特征进行提取,构建了一种新型的内聚裂尖加强函数,使传统扩展有限元中受裂尖加强影响的节点由每个节点8个裂尖加强自由度缩减到2个(平面问题),大大减小了计算规模。以含中心斜裂纹的多孔介质平板为例,验证了内聚裂尖加强模式的正确性,并对两种裂尖加强模式的雅克比矩阵条件数进行了计算。结果表明:内聚裂尖加强模式下扩展有限元的计算精度与传统扩展有限元的计算精度同阶,且网格较密时,本文处理方法的计算精度高于传统模式的。最后将改进的内聚裂尖加强模式应用到混凝土重力坝的水压致裂模拟中,取得了良好的计算效果。     

土工合成材料蠕变方程探讨

用几种简单的方程对土工合成材料的蠕变特性曲线进行了拟合,结果表明对数函数和幂函数方程拟合效果较好,但这些方程没有考虑法向应力因素.介绍了前人提出的描述低荷载水平下土工合成材料蠕变特性的标准线性固体模型,并介绍推导了该模型建立的蠕变方程和加载时的蠕变方程,同时用具体例子计算并比较了此模型方程和试验结果的差别.还利用此模型方程分析加筋挡土墙的蠕变特性,计算加筋挡土墙的应变,为加筋挡土墙的计算带来了很大的便利.     

三维非达西渗流的有限元分析

本文以非线性渗透规律的两种主要形式为基础,推导并建立了非达西渗流的三维有限元数值记算模型,分析了用有限元法分析非达西渗流的特点,用FORTRAN语言编制了相应的计算程序,并借助堆石坝渗流模型的实测结果进行了验证.     

求解非均质多孔介质中随机水流问题的多尺度有限元降基方法

为高效求解地下非均质多孔介质中的随机水流问题,通过构造一组独立于随机参数取样的多尺度有限元降基函数和生成一个降阶多尺度模型,发展了一种多尺度有限元降基方法(RMsBM)。并应用矩阵离散的经验插值方法(MDEIM)仿射分解非仿射的随机参数问题的离散系统以加速降阶模型的在线计算。为评估所提出方法的性能与效率,对随机非均质多孔介质中的饱和水流问题执行了若干数值试验。数值结果表明:所提出的RMsBM通过选择合适的粗网格和最优数目的局部多尺度降基函数,可在维持良好计算精度的同时,显著提高在线计算效率。     

基于多孔介质模型的有限柱群绕流模拟

河道中的植被水流可视为多孔介质流动,可采用多孔介质水流模型模拟流动特征。本文基于自主开发的带有自由表面水流计算模型,耦合多孔介质模型,建立了模拟植被水流的数值模型。水流模型基于静压假定的浅水流动假设,自由表面的捕获采用垂向坐标变换方法,植被区通过时空变化的孔隙率进行模拟。并采用物理模型实验数据对所开发的多孔介质水流模型进行验证,验证结果表明该模型适用于植被水流的宏观效应模拟,包括尾流区流动特征等。在植被水流尾流场形态研究方面,多孔介质模型计算效率较高,模拟精度有一定保证。该模型可进一步应用于大尺度植被水流运动特征的研究。     

降雨条件下边坡地下水渗流有限元分析

简要分析了多孔介质饱和—非饱和渗流数学模型,讨论了渗流有限元计算分析中的相关问题,同时模拟了降雨入渗情况下边坡内部的渗流场。模拟结果总体可靠,可作为边坡稳定性分析的参考依据。     

无限元法在无限深透水坝基渗流计算中的应用

针对无限深透水坝基的渗流问题,在传统有限元数值模拟的基础上引入无限单元法,通过数学推导,建立有限元和无限元的耦合模型,即在传统有限元法基础上增加无限单元来模拟无限域渗流问题。以西北干旱区某大坝及坝基为例,对恒定水头作用下半无限深透水坝基进行常规有限元分析及有限元与无限元耦合分析,并将两者的计算结果进行比较,结果表明:两种方法的计算结果相差不大,但有限元和无限元耦合法计算精度可提高15%,更加接近实际情况,并且耦合法计算剖分单元会大大减少,大幅度节省计算时间。