空间杆系结构的弹塑性大位移分析

为适当降低杆系结构弹塑性分析的计算量,该文假设单元塑性变形集中于单元端部。在单元端部截面上,将截面分割为若干小块面积,用小块面积中心处材料的弹塑性性能代替整个小块面积的弹塑性性能。通过对小块面积弹塑性性能的分析,得出端部截面的弹塑性刚度,再将其与单元内部弹性部分的截面刚度沿杆长进行Gauss-Lobatto积分,由此获得梁单元的弹塑性刚度矩阵。该文对小面积中心点采用基于材料应变等向强化的弹塑性本构关系,为准确分析杆端截面小块面积的弹塑性应力状态,该文提出了有效的应力调整算法以修正计算过程中偏离屈服面的应力值。数值算例表明,该文方法准确、高效、可靠。     

考虑弹塑性本构的三维模态变形体离散元方法断裂模拟

三维模态变形体离散元(3MDEM)是针对离散块体系统在小应变、有限位移、有限转动条件下,用变形模态模拟块体变形,经过严格推导建立的一种离散元方法.该文在3MDEM平台实现对结构从弹性、到塑性再到断裂破坏的连续非连续全过程模拟.鉴于传统的接触破坏准则在塑性计算中的缺陷,该文提出基于塑性应变的接触破坏判断准则,并采用双块体...     

静动力弹塑性分析的杆系离散单元计算理论研究

杆系离散单元法的现有研究成果均假定接触本构模型的切向弹簧仅用于描述剪力引起的纯剪切变形,这与弯曲梁理论下剪力引起的变形情况不相符。该文针对该问题重新定义了切向弹簧,并根据能量等效原理系统推导了不考虑或考虑剪切变形工况接触本构模型的切向接触刚度系数计算公式。在此基础上,提出了杆系离散单元精细塑性铰法以描述结构的塑性开展问题,推导了颗粒间的弹塑性接触本构模型。采用自编程序对两个大型网壳结构分别进行了静、动力弹塑性行为分析,验证了接触本构模型正确性和精细塑性铰法的适用性。该文将杆系离散单元法的基本计算理论系统化,并补充了杆系离散单元法的弹塑性计算理论,为结构静、动力分析提供了新思路。     

二维正交各向异性结构弹塑性问题的边界元分析

给出了二维正交各向异性结构弹塑性问题的边界元分析方法, 包括相应边界积分方程、内点应力公式、边界元求解格式以及弹塑性应力计算方法。在弹塑性分析中, 引入了Hill-Tsai 屈服准则, 采用初应力法和切向预测径向返回法确定实际应力状态。通过具体算例分析了二维正交各向异性结构的弹塑性应力和塑性区分布情况, 部分数值结果与已有结果进行了比较, 两者基本吻合。结果表明, 本文中给出的边界元法可以有效地用于求解二维正交各向异性结构的弹塑性问题。      

弹塑性有限厚条法及工程应用

本文采用大单元内划分小网格的方法判断塑性区范围。在弹性区及塑性区内选用统一的解析函数级数。以修正常刚度增量法为迭代方法，给出了塑性系数矩阵及塑性刚度矩阵的推导过程。假设小网格内的应力为常量，使求解过程方便化．编制了弹塑性有限厚条法在地下工程三维弹塑性围岩稳定性分析中的应用程序，并对圆形及椭圆形截面洞室进行了稳定分析     

基于双剪统一强度理论应变退化模型的隧道结构稳定性分析

论文基于双剪统一强度准则应变软化模型对圆形隧道稳定性的分析,提出一种简单的数值计算方法来对围岩进行弹塑性分析。该文采用差分法,基于广义形式的双剪应力屈服准则,并采用相关联流动法则,建立本构方程。对于应变软化模型,该文选定塑性应变增量作为软化参数,并且假设强度参数随软化参数成线性函数关系。弹性区的解答引用拉梅解答,而求解塑性区的解答时,将塑性区分成很多微元圆环,并假设每个圆环的径向应力?r沿半径向内均匀递减;其次,建立每个微元圆环的平衡微分方程、本构方程、几何方程及相邻两微元之间的应力增量和应变增量的关系。从弹塑性交界面处的塑性区最外一个圆环开始,求解出每一个微元圆环的解答。并且利用MATLAB进行编程求解出最终的结果:应力场、应变场、径向位移场的数值解。此外还分析讨论了中间主应力影响系数b、软化参数临界值η*对解答的影响,并分析了影响塑性区半径的因素。     

碎石料应力路径大型三轴试验的离散元模拟研究

碎石料在高填方工程中得到广泛应用。由于其粒径较大,对碎石料力学特性的研究通常需要大型的试验设备。该文探索通过离散元数值模拟方法研究碎石料的应力路径相关力学特性。离散元程序可以将若干球形单元粘结成一个捆绑单元,从而模拟可破碎的碎石颗粒。该文首先简要介绍了离散元的计算原理、特点和模拟过程,并建立碎石料试件的离散元模型。通过对比一组恒定围压下的大型三轴试验,确定了各参数,对所建模型进行了标定。进而通过该模型独立预测碎石料试件在三种不同应力路径加载时的应力-应变关系及体变特性,并与相应的应力路径大型三轴试验结果进行对比,验证了离散元方法可以较为准确地计算碎石料沿不同应力路径加载时的力学特性,同时还讨论了碎石料的小应变刚度特性。     

基于Hoek-Brown准则的应变软化模型有限元数值实现研究

研究提出一种Hoek-Brown（H-B）准则应变软化模型的有限元数值实现方法。分析当前不同脆塑性计算方法的合理性,发现塑性位势跌落可正确计算岩石不同类型破坏,而偏应力等比例跌落和最小主应力不变跌落均存在不足。在此基础上,推导写出基于塑性位势跌落的H-B准则脆塑性隐式本构积分算法,及H-B准则理想弹塑性隐式本构积分算法,并采用一系列应力跌落-塑性流动,将H-B准则应变软化模型嵌入有限元软件ABAQUS中。比较应变软化圆隧围岩收敛位移及应力分布的解析解与本文有限元解,发现二者吻合良好,验证了所建H-B准则应变软化模型的正确性。对某薄上覆盖岩层高内水压输水隧洞工程的计算结果表明,相较理想弹塑性模型,所建应变软化模型可正确反映隧洞顶部围岩塑性区贯通引起的整体结构失稳破坏现象,为工程选择衬砌方案提供依据。     

考虑塑性徐变的高混凝土坝实测应变转换应力探讨

将应变计组实测应变转换为应力与混凝土的应力状态有关。针对高混凝土坝应力作用水平较高,当混凝土的应力超过一定的限度,混凝土将进入塑性徐变阶段,如果仍基于弹性徐变体的应力-应变关系进行实测应变的应力转换,获得的应力与实际情况不符。该文假设混凝土在高应力作用下将产生塑性流动,根据P.Perzyna假设计算黏塑性应变率,首先推导了最大拉应力屈服准则和Hsieh-Ting-Chen屈服准则的黏塑性应变率计算公式,接着推导了考虑塑性徐变的实测应变转换应力的计算公式,进而探讨了考虑塑性徐变的高混凝土坝实测应变转换为应力。实例分析表明：由于将实测应变转换为应力采用增量法进行计算,在转换过程中,某阶段的应力失真,必然导致后续转换应力的真实性,而考虑塑性徐变的实测应变转换的应力更符合实际情况。     

磁头与离散磁道式磁盘瞬态接触行为研究

 离散磁道式磁盘在与磁头瞬态接触过程中极易损坏.为改善离散磁道式磁盘的瞬态接触状况,采用有限元仿真方法,建立了平整化前后离散磁道式磁盘与磁头的瞬态接触模型,分析了平整化前后离散磁道式磁盘接触应力分布特点,研究了磁头冲击速度、径向速度、磁盘表面摩擦系数等接触条件及平整化对离散磁道式磁盘最大等效塑性应变、塑性应变总体积的影响.结果表明：磁头冲击速度、寻道速度增大均可导致磁盘最大等效塑性应变、塑性应变总体积增大;摩擦系数增大可增大磁道最大等效塑性应变、减小塑性应变总体积;在接触初期,平整化离散磁道式磁盘可以减小磁道最大接触应力,缓解应力集中现象;在接触全过程中,平整化离散磁道式磁盘可以减小磁道最大等效塑性应变及塑性应变总体积;平整化所用2种弹性模量等力学特性不同的填充材料,即磁道材料与类金刚石碳,对于磁道接触状况的改善作用区别较小.以上结论可为降低离散磁道式磁盘的破坏程度提供理论指导．     

A hybrid material-point spheropolygon-element method for solid and granular material interaction

Capturing the interaction between objects that have an extreme difference in Young's modulus or geometrical scale is a highly challenging topic for numerical simulation. One of the fundamental questions is how to build an accurate multiscale method with optimal computational efficiency. In this work, we develop a material-point-spheropolygon discrete element method (MPM-SDEM). Our approach fully couples the material point method (MPM) and the spheropolygon discrete element method (SDEM) through the exchange of contact force information. It combines the advantage of MPM for accurately simulating elastoplastic continuum materials and the high efficiency of DEM for calculating the Newtonian dynamics of discrete near-rigid objects. The MPM-SDEM framework is demonstrated with an explicit time integration scheme. Its accuracy and efficiency are further analyzed against the analytical and experimental data. Results demonstrate this method could accurately capture the contact force and momentum exchange between materials while maintaining favorable computational stability and efficiency. Our framework exhibits great potential in the analysis of multi-scale, multi-physics phenomena.     

弹性DEM方法在杆系结构中的应用研究

基于颗粒离散元方法（DEM）,结合杆系结构的特点,提出了一种适于杆系结构问题分析的DEM模型。对颗粒元相应的质量和转动惯量计算公式进行了修正;通过能量等效原理推导了杆系DEM模型分析时弹簧接触刚度系数表达式;将瑞利阻尼引入到DEM方法之中,给出了阻尼常数计算公式并用算例进行了验证。将该方法应用于杆系结构弹性分析,包括静动力与几何非线性大变形问题的空间框架结构和网壳结构等多个算例,计算结果与有限元方法结果吻合良好。DEM方法的特点是将动力分析和几何非线性分析自动包含在运动方程的计算之中,不用组集刚度矩阵,无需迭代求解。杆系DEM模型非常适宜处理杆系结构大变形及动力非线性问题,尤其是在结构进入强非线性之后的模拟分析。     

防屈曲支撑-RC框架新型开孔钢板剪力键连接节点抗震性能研究

基于杆系离散元理论,提出了一种显式弧长法用于结构弹性屈曲全过程分析。建立了新型接触单元-铰固接触单元的本构模型,分别采用离散元法和结构力学方法对铰固接触单元在已知端部位移工况下进行受力分析,并通过端部内力相等建立方程,推导了接触刚度系数;采用动力阻尼技术简化了颗粒运动方程的求解过程,然后引入总位移约束弧长法,详细阐述了与离散元法相结合的求解策略和实施过程,并给出了相关分析参数的计算公式;通过算例验证了该方法的准确性和适用性。在追踪结构屈曲平衡路径时,该方法无需组集刚度矩阵、不涉及矩阵奇异等不收敛问题,且参数少、稳定性好,与传统有限元弧长法相比更具优越性,为结构分析提供了新的算法工具。

     

基于GPU的杆系离散元并行算法在大型工程结构中的应用

杆系DEM(离散元,discrete element method)是求解结构强非线性问题的有效方法,但随着结构数值计算规模的扩大,杆系DEM所需要的计算时间也随之急剧膨胀.为了提高杆系DEM的计算效率,该研究提出单元级并行、节点级并行的计算方法,基于CPU-GPU异构平台,建构了杆系DEM并行计算框架,编制了相应的几...     

基于向量有限元的深水管道屈曲行为分析

局部屈曲破坏是深水管道运行的最大安全问题之一.采用创新性的向量式有限元方法(VFIFE)分析深水管道结构屈曲行为,推导考虑材料非线性的VFIFE空间壳单元计算公式,编制Fortran计算程序和MATLAB后处理程序,开展外压下深水管道压溃压力和屈曲传播压力计算、压溃和屈曲传播过程模拟.开展全尺寸深水管道压溃试验,进行深...     

Evaluation of the discrete element method (DEM) and of the experimental evidence on concrete behaviour under static 3D compression

The authors successfully employed the discrete element method (DEM) in numerical determinations of the response up to and beyond failure of reinforced concrete structures subjected to impact and impulsive loadings in which tensile fracture, which is reliably predicted by DEM models, often controls the dominant failure modes. However, in impact problems when penetration occurs, the reliability of the approach in predictions of the structural response of the 3D compression zone that develops at the tip of the projectile has not yet been explicitly confirmed. In this context, in view of its complexity, the performance of the method is herein assessed and compared with available experimental results in static tests. By means of numerical simulations, it was previously verified that DEM models do predict, but overestimate, the strength increase observed on concrete cubes subjected to static multiaxial compression in relation with the unconfined strength, for confining (lateral) pressures up to about 20% of the unconfined compressive stress. For higher confining stresses, however, the DEM formulation underestimates the compressive strength increase observed in cubic and cylindrical samples, for the reasons examined in the paper, in which limitations of both the numerical predictions and experimental observations are thoroughly discussed.     

钢管混凝土结构材料非线性的一种有限元分析方法

为了更简单地考虑梁单元的材料非线性受力性能,把断面广义力和广义应变的概念运用于单元分析中,将单元的弹塑性刚度矩阵分离为弹性刚度矩阵和塑性刚度矩阵。这样,梁单元的变形可以由弹性变形和塑性变形简单地迭加,结构内力可通过弹性应变能的斜率(弹性刚度矩阵)与位移的乘积求得,从而在增量-迭代计算时可较准确且较快地计算出结构变形后的不平衡力。应用这一计算方法,推导了基于纤维模型的三维梁单元的钢管混凝土结构的有限元基本公式,并将其植入能考虑几何非线性的三维梁单元非线性计算程序NL_Beam3D中以计算结构的双重非线性问题。算例分析表明该方法和程序能较准确地反映钢管混凝土结构的双重非线性特性。     

基于DEM-FDM耦合的普通铁路碎石道床-土质基床界面接触应力分析

引入离散元法（DEM）-有限差分法（FDM）耦合算法对普通铁路碎石道床-土质基床的界面应力进行分析。首先,基于激光扫描以及室内三轴试验,实现碎石道砟颗粒二维精细化离散元建模,并通过设置界面单元进行道砟与土两类不同介质层间速度与力的相互传递,实现离散元法与有限差分法耦合,建立了轨枕-碎石道床-连续土体耦合模型,并通过现场实测结果验证模型的合理性。在此基础上,计算列车通过时耦合模型中基床动应力分布特征,讨论轨枕-道床接触状态对其影响,并将计算结果与轨枕-道床-基床的整体有限元模型的计算结果进行对比。结果表明,轨枕-道床未完全密贴接触状态下,道床中力链呈离散型传递,反之,道床中力链呈向下扩散发展;两种接触状态下,基床表面应力分布差别显著,但是应力峰值接近。耦合模型得到的基床表面应力峰值显著高于有限元模型的计算结果;耦合模型中因道砟散体特性引起的基床表面局部应力集中,在路基中的影响深度约为道砟最大粒径（63 mm）的8倍,即近似基床表层深度。     

三种非线性梁柱单元的研究及单元开发

罕遇地震作用下混凝土梁柱构件易进入塑性阶段而发生弹塑性损伤,正确地模拟结构进入非线性状态后的力学行为对评价结构的抗震安全性具有重要的意义.通过面向对象语言编制了基于宏观单元的结构弹塑性分析软件平台MESAP,增加了三种非线性梁柱单元:基于刚度法纤维单元、基于柔度法纤维单元及基于柔度法的塑性铰单元.通过算例分析三种非线性...     

Examining the smooth and nonsmooth discrete element approaches to granular matter

The smooth and nonsmooth approaches to the discrete element method (DEM) are examined from a computational perspective. The main difference can be understood as using explicit versus implicit time integration. A formula is obtained for estimating the computational effort depending on error tolerance, system geometric shape and size, and on the dynamic state. For the nonsmooth DEM (NDEM), a regularized version mapping to the Hertz contact law is presented. This method has the conventional nonsmooth and smooth DEM as special cases depending on size of time step and value of regularization. The use of the projected Gauss‐Seidel solver for NDEM simulation is studied on a range of test systems. The following characteristics are found. First, the smooth DEM is computationally more efficient for soft materials, wide and tall systems, and with increasing flow rate. Secondly, the NDEM is more beneficial for stiff materials, shallow systems, static or slow flow, and with increasing error tolerance. Furthermore, it is found that just as pressure saturates with depth in a granular column, due to force arching, also the required number of iterations saturates and become independent of system size. This effect make the projected Gauss‐Seidel solver scale much better than previously thought. Copyright © 2014 John Wiley & Sons, Ltd.