重力坝地震断裂的多边形比例边界有限元模型研究

为研究重力坝的地震断裂破坏机理,基于线弹性断裂力学和多边形比例边界有限元法(Polygon SBFEM)提出一种全自动的重力坝动态断裂分析模型。该模型继承了SBFEM在断裂分析中高精度和高效率的优势,通过建立多边形比例边界有限单元广义动态应力强度因子的时域分析方法实现任意时刻断裂参数的求解,并结合裂缝扩展准则可实时判定裂缝稳定性;对达到临界状态的裂缝采用多边形网格局部重剖分技术,开发了考虑裂缝张开-闭合行为的动态接触模拟算法,进而实现了裂缝动态扩展高效自动化模拟。以Koyna重力坝为研究对象,考虑大坝库水动力相互作用,模拟了地震作用下坝体裂缝扩展过程,获得了断裂路径,验证了模型的正确性。其后,进一步探讨了数值模型中网格密度和裂缝扩展步长等因素的影响,结果显示仅用粗网格即可获得满意的计算结果,且三种裂缝扩展步长模拟的大坝裂缝扩展轨迹接近,但随着裂缝扩展步长增大,大坝更早失效破坏。研究成果可为混凝土坝的地震断裂分析提供有力的技术手段。

位移外推法和扩展有限元法计算应力强度因子的比较

作为评定裂缝是否扩展的重要参量,应力强度因子的计算精度影响材料性能的评估。通过含预制裂缝的三点弯曲梁、矩形板中心裂缝、矩形板中心斜裂缝和矩形板中心界面裂缝模型4个数值算例,采用位移外推法和扩展有限元法分别计算了裂缝尖端应力强度因子。将计算结果与解析解或其他数值方法参考解进行对比验证了上述两种方法的计算精度。此外,探讨了网格密度对应力强度因子求解精度的影响以及剔除裂尖附近的结果对位移外推法求解应力强度因子的影响。发现位移外推法可以通过对裂尖进行网格局部加密和去除裂尖奇异点来提高精度;扩展有限元法对网格密度要求相对较小,综合计算时间考虑,可以适当增加网格密度。结果可为求解应力强度因子和针对试验-数值耦合法计算断裂韧度提供参考。

基于循环孔洞扩张模型的海工钢超低周疲劳断裂分析与预测

基于微观断裂机理的循环孔洞扩张模型是一种进行超低周疲劳断裂分析及预测的有效方法。在该方法中,孔洞扩张指数与损伤退化参数是控制裂纹扩展进程的重要参数。受生产工艺的影响,不同批次钢材的孔洞扩张指数与损伤退化参数往往存在较大差异,使得对结构的超低周疲劳断裂分析存在准确性不足的问题。为解决上述问题,本文采用光滑圆棒、平滑槽口圆棒及缺口试样开展试验,进行钢材超低周疲劳特性研究,探索试样开裂机制和损伤演化规律;其次,编写基于循环孔洞扩张模型的VUSDFLD程序,结合圆棒试验结果进行有限元分析,校准孔洞扩张指数及损伤退化参数;最后,基于前述理论和程序,开展缺口试样超低周疲劳断裂研究,分析裂纹萌生及裂纹扩展速率,并就试样的超低周疲劳断裂寿命展开预测。结果表明,基于循环孔洞扩张模型的超低周疲劳断裂进程与试验结果比对良好,适用于超低周疲劳断裂寿命预测。

碾压混凝土坝层间开裂过程模拟

针对碾压混凝土坝施工层面开裂破坏模拟问题,从混凝土细观结构角度出发,首先利用块体切割算法,生成了碾压混凝土坝随机骨料模型;然后,通过黏结单元嵌入算法,建立了坝体黏结裂缝模型;最后,利用Abaqus模拟了坝体层间开裂过程。实例模拟得出:当水容重超载系数为60时,坝体上游面拐点处的层面先出现裂缝,该区域应力集中现象明显;混凝土碾压坝在施工中,应避免在坝体轮廓拐点处分层。该研究可为碾压混凝土坝施工层面开裂破坏的预测提供参考。

基于DIC的压实黏土Ⅰ型断裂性状研究

为了研究压实黏土的断裂性状,通过不同尺寸、裂缝长度、厚度的压实黏土试样结合数值图像相关方法进行了三点弯曲断裂试验,分析了压实黏土断裂性状,包括荷载位移曲线、断裂韧度、断裂过程区长度。试验结果表明,3类试样的位移荷载曲线形态表现一致,随着试样尺寸、厚度的增大峰值荷载增大,随着裂缝长度的增大峰值荷载减小;随着试样尺寸的增大,断裂韧度增大但增幅在逐渐变小,具有明显的尺寸效应;随着试样裂缝长度的增大,断裂韧度先增大后减小,但变化幅度不大。在试样厚度50~60 mm时断裂韧度被认为是个恒定值,试样厚度对于断裂韧度影响很小;大尺寸的试样断裂过程区具有更大的发展空间,预制裂纹尖端储藏的能量更多,这是压实黏土断裂产生尺寸效应的主要原因。试样裂缝长度减小而韧带长度增加,并不能增加断裂过程区长度。试样厚度对于断裂过程区长度影响很小。

基于有限元的重力坝溢流坝段反弧段裂缝成因分析

本文主要采用数值模拟的方式,研究了广东省枫树坝水电站溢流坝段反弧段变电洞顶部裂缝成因。通过建立有限元模型,并依据实测数据和工程经验确定模拟参数,模拟了大坝常规运行期的温度场和应力场。研究表明,夏季高温导致大坝内外温差不同,在强结构约束下将产生最大2.64MPa的拉应力,超过抗拉强度是造成变电洞顶部深层裂缝的主要原因。模拟结果和实际观测到的裂缝位置一致,并与测缝计监测得到的裂缝开合度结果吻合。在今后的设计中,需考虑运行期温度应力的影响,避免产生贯穿性裂纹。

大坝混凝土峰后循环加载断裂特性研究

为了分析混凝土大坝运行中的受力状态,开展大坝混凝土在循环加载下楔形劈裂试验,监测大坝混凝土的断裂过程,研究不同循环载荷下大坝混凝土的力学性能。结果表明,大坝混凝土的断裂具有显著的速率效应,随着加载速率的增加,峰值载荷增加,峰后P-CMOD曲线的斜率逐渐减小;加载速率增加,累积AE计数的初始增长点由周期峰值载荷之前向峰值载荷点处靠近。研究结果可为混凝土大坝结构安全运行提供参考。

基于数值模型的软基水闸底板脱空反演

本研究以基于数值模型的软基水闸底板脱空反演为研究对象,旨在通过数值模拟和分析,深入探讨软基水闸底板脱空对水闸结构动力特性的影响。通过建立有限元模型和响应面模型,对不同工况下的脱空参数进行了反演,并将反演结果与实际值进行了对比。研究结果表明,基于模态参数的软基水闸底板脱空反演是合理可靠的,为水闸结构损伤诊断技术提供了理论支持。

考虑接触问题的多边形有限元重力坝抗震断裂研究

抗震断裂问题是混凝土重力坝的重要研究内容,数值模拟则是针对此类问题的主要研究方法,现有断裂算法存在计算效率较低,大多未考虑接触等问题。为此,构造了高效的平均值坐标插值多边形单元和接触薄层单元,并将二者耦合后用于结构裂缝扩展的数值模拟。该方法将具有奇异特性以及复杂几何区域网格自适应性强的多边形有限元方法与平均值坐标插值方法、局部多边形网格策略结合起来模拟裂缝扩展;通过等参子三角形方法进行数值积分,求解刚度矩阵;基于最大周向应力准则,采用混合断裂强度因子作为起裂判据;针对裂缝面间的接触问题,引入张剪状态下的黏聚力模型以及压剪状态下的光滑接触模型。基于上述方法,通过Matlab编程的方式开发出一套能模拟裂缝扩展的程序,并通过对含边裂缝的PMMA板试验和含预设裂缝的四点剪切梁试验的模拟,验证了程序的准确性与有效性。最后,以含有预设裂缝的柯伊纳混凝土重力坝为例,对其在是否考虑接触问题下裂纹扩展的情况进行了对比分析,结果表明该程序模拟裂缝真实准确,具有计算速度快、结果文件小等独特优势。

金属材料超声疲劳试验数据的一致性分析

超声疲劳试验技术已被广泛用于金属材料的超高周疲劳性能测试。超声频率条件下开展试样的超高周循环加载时,需要采用间歇加载控制试样发热,这会影响到试验结果一致性。同时,当循环周次由高周跨越至超高周后,疲劳试验结果对试样形状、尺寸、表面质量和内部缺陷更为敏感。基于大量的试验结果对这些影响因素进行了一致性分析。结果表明,加载间歇比和试样形状、尺寸对试验结果均有影响;试样表面质量与内部缺陷存在竞争效应;通过疲劳S-N曲线可以有效预测内部缺陷对超高周疲劳的影响。

考虑坝体材料参数随机性的拱坝易损性分析

施工过程和混凝土材料自身属性会导致拱坝坝体材料具有随机性。为了评估在强地震动作用下坝体混凝土材料随机性对拱坝抗震性能的影响,以白鹤滩拱坝为对象研究了表征混凝土非均匀程度的相关长度以及材料参数均值与拱坝损伤破坏的关系。分析中采用耐震时程法(ETA)生成人工地震动时程,假设坝体材料参数值服从特定区间内的均匀分布,同时为考虑坝体材料局部连续性,将相关长度引入到均匀分布公式中,基于协方差矩阵分解法和中心点离散技术建立了对应不同相关长度的拱坝随机场有限元模型,分析了其在地震动作用下的动力响应。选择相对位移、横缝开度和损伤体积比作为评价指标,通过概率密度演化法(PDEM)和直接概率积分法(DPIM)计算各指标的时变概率密度曲线,并计算了不同指标的失效概率曲线,以评价坝体在不同峰值加速度下的失效概率。分析结果表明:考虑坝体材料的随机性后,坝体损伤分布分散,且不同工况的分析结果离散性较大;损伤情况主要受相关长度和材料参数均值的影响,相关长度越大,坝体的抗震性能越好。

基于耐震时程法的拱坝-地基系统易损性分析

为研究高拱坝-地基系统在强地震动作用下的易损性,本文以白鹤滩拱坝为研究对象,采用耐震时程法(endurance time analysis,ETA)生成人工地震动时程进行动力时程分析.选取最大横缝开度、损伤体积比和顺河向相对位移为指标.分别选取典型破坏状态作为结构破坏标准,基于回归曲线方法、矩估计、多样条分析法和截断最大似然估计等方法获取结构的易损性曲线,探究拱坝结构在不同峰值加速度(peak ground acceleration,PGA)水平下的失效概率,从而从概率角度给出了拱坝-地基系统在不同地震动强度下的破坏状态.从分析原理和实际计算结果出发,矩估计和多样条分析法更适合与ETA法相结合来分析拱坝结构的易损性.

大坝混凝土非连续变形的并发多尺度区域分解法

大坝混凝土的裂缝萌生和失稳扩展分析需要尽可能准确地模拟骨料和砂浆界面的弱不连续,而界面过渡区微米级的厚度模拟使得有限元网格存在网格剖分质量不佳和网格数量庞大的问题。通过在大坝混凝土细观结构的不同材料实体单元间预嵌零厚度界面单元,并进行宏细观子区域界面节点重新匹配,建立了骨料-砂浆-界面单元的宏细观区域分解有限元网格。同时结合隐式梯度损伤模型和内聚力模型,在同一模型中实现骨料、砂浆基质的损伤失效模拟及骨料-砂浆界面的弱连接到脱开模拟,构建了大坝混凝土非连续变形的宏细观并发多尺度区域分解模型。将模型用于某大坝混凝土的直接拉伸试验模拟,不同随机骨料模型均能捕捉骨料和砂浆界面的弱连接到脱开过程。重现的混凝土试件破坏形态与已有研究结果一致,证明了模型的合理性。本研究可为大坝混凝土损伤断裂力学性能的数值试验提供技术支持。

裂缝对隧洞结构应力与变形的影响研究

为了研究土体地区隧洞二次衬砌开裂与应力的关系,通过现场调查和室内模型试验,对现场隧洞病害进行分析。结果表明,随着载荷的增加,隧洞监测点的轴力和弯矩均呈线性增加。衬砌开裂使结构应力不连续,影响结构的内力分布;结构内力突变时,往往伴随着结构开裂现象。隧洞施工中,应加强拱顶和侧壁施工质量,地面裂缝应及时处理,防止地表水渗透对隧洞结构的不良影响。

岩石裂纹扩展的实验与数值分析研究

详细地研究了闭合裂纹在单轴、双轴载荷作用下,裂隙扩展、贯通的规律,应用8节点奇异等参单元模型来模拟节理尖端应力场的奇异性,实验和数值计算结果所得到的闭合裂隙的扩展规律具有较好的一致性,实验结果对研究裂隙岩体在开挖卸荷条件下的力学特性具有一定的参考价值。最后,将砂岩圆柱梁三点弯曲测试验得到的KIC,计算万家寨引黄工程总干一、二级泵站地下厂房在开挖和支护过程中围岩的破损区。

各种级配大坝混凝土双K断裂参数试验研究——兼对《水工混凝土断裂试验规程》制定的建议

为配合水工混凝土断裂试验规程在我国的制定,提供更充足的基础数据,受规程编制组委托,进行了最大尺寸为S×D×B=2200 mm×550 mm×240 mm的三点弯曲梁试件和最大尺寸为2H×D×B=1200 mm×1200 mm×250mm的楔入劈拉试件共140个试件的断裂试验。通过电阻应变片,测得不同布置测点荷载应变变化曲线,由此确定了不同级配及湿筛法大坝混凝土实测的起裂荷载和失稳荷载,计算了双K断裂韧度参数,讨论分析了双K断裂参数的尺寸效应和形状效应。结果表明:电阻应变片法测定起裂荷载的方法可行,Pini/Pmax=0.6￣0.85;三点弯曲梁法所得混凝土双K断裂韧度值无明显的尺寸效应;楔入劈拉试件由于竖向加载荷载PV引起附加力矩MV对裂缝尖端应力场的影响,导致所得混凝土断裂韧度值表现出一定程度的尺寸效应,但当采取措施消除此影响或此影响较小时,楔入劈拉试件的断裂韧度值也将无明显的尺寸效应;在相同配合比、相同高度条件下,不同试件形式的双K断裂韧度值无明显的差异。因此,可认为混凝土双K断裂参数是描述混凝土结构裂缝起裂及失稳断裂过程的材料常数,与试样类型和尺寸无关。

混凝土试件细观结构的数值模拟

本文将常用混凝土级配曲线与三维富勒级配曲线作了对比分析,从而为基于瓦拉文公式的随机骨料模型对试件内截面进行细观结构的数值模拟提供了依据。在此基础上,采用双折线损伤演化模型描述混凝土细观各相弹性损伤退化,利用有限元方法进行了混凝土湿筛试件、全级配试件单轴受压和全级配混凝土三分点梁弯拉细观结构数值模拟。通过单轴受压数值试验讨论了同一级配不同骨料分布、有限元单元尺寸及试件尺寸对极限荷载计算结果的影响。结果显示:(1)同级配不同随机骨料分布的影响在试验结果统计范围之内;(2)为了充分反映混凝土细观特性的非均性,单元尺寸应小于最小骨料粒径的三分之一;(3)湿筛试件与全级配试件数值模拟结果验证了试件的尺寸效应。在全级配混凝土三分点梁弯拉试验的模拟计算中,讨论了界面单元、固化水泥砂浆基底强度及损伤参数对计算结果的影响。通过细观结构数值模拟,直观显示了混凝土试件单轴受压和三分点梁抗弯曲试验在不同加载阶段微裂缝产生、扩展直至失稳的过程,及其宏观应力-应变曲线的变化情况。基于有关文献资料给定的混凝土各相参数得到的数值模拟结果与试验统计结果相符。

混凝土破裂过程三维数值模拟及CT验证

将混凝土简化成由骨料、水泥砂浆及其二者之间的界面层所组成的三相复合材料,建立了混凝土骨料随机分布三维模型,用界面单元多次细分技术进行有限元网格划分,基于弹性损伤本构关系采用双折线损伤演化模型描述混凝土细观各相弹性损伤退化,用弹性模量的折减程度来反映混凝土试件在加载过程中的损伤程度。对混凝土圆柱体试件进行了数值模拟计算,并从混凝土破坏过程图和荷载-位移曲线图两方面比较了数值模拟的破坏过程与CT试验结果,发现试件破坏时裂纹的萌生、扩展过程与CT观测到的过程具有相似性,说明用本文建立的三维数值模型模拟混凝土材料的损伤破坏过程是基本可行的。

细观结构不均匀性对混凝土动弯拉强度的影响

本文在随机骨料模型的基础上,提出了既能反映混凝土骨料分布随机性又能反映混凝土细观各相材料力学特性随机性的随机骨料随机参数模型。利用该模型并考虑材料的细观力学的应变率效应,对湿筛混凝土和全级配混凝土梁进行了三分点冲击弯拉断裂数值模拟,分析了混凝土材料参数的离散性、混凝土级配以及初始静预载水平对其动弯拉强度的影响。研究表明:(1)随混凝土材料的弹性模量和抗拉强度的离散性增大,静弯拉强度和动弯拉强度降低,但动弯拉强度增强系数得到提高;(2)一定条件下全级配的混凝土梁的动弯拉强度增强系数高于湿筛混凝土梁的动弯拉强度增强系数;(3)为了更准确地确定动弯拉强度增强系数,应该考虑混凝土级配和初始预静载水平所产生的应变率效应对其的影响。

用扩展有限元方法模拟混凝土的复合型开裂过程

用扩展有限元法对混凝土梁复合型开裂过程进行了数值模拟.裂纹面间的力学行为采用粘聚裂纹模型来描述,通过引入切向保留刚度考虑剪力分量的影响.开裂方向的计算采用了一种简化的最大切向应力准则.对Arrea和Ingraffea的混凝土梁复合开裂实验进行了数值模拟.计算给出了裂纹萌生、扩展的过程及破坏形态,并获得了与实验结果对比良好的荷载-裂纹开口滑移曲线.结果表明,扩展有限元法通过附加特定的位移模式,使裂纹两侧不连位移场的表达独立于网格划分,是一种能够模拟准脆性材料复合开裂问题的有效方法.