三维数值流形法在裂纹扩展中的应用研究

运用三维数值流形法(3D NMM)进行三维裂纹扩展分析,并采用C++语言编写了相应的程序。充分利用三维数值流形法模拟裂纹扩展的优势,只需要更新裂纹尖端线附近的边界环路和流形单元,不需要使用阶跃函数。根据三维数值流形法计算得到的应力结果,应用非局部求迹方法分析每个裂纹尖端的破坏状态,如果发生破坏则沿垂直于其最大主应力方向扩展。针对裂纹扩展后的不同状况,采用四边形或三角形推进法。裂纹扩展后为了使变形后的面保持平面,必须对新生成的面进行三角化分割。对诸如单边裂纹、平行钱币型裂纹和倾斜钱币型裂纹扩展问题进行数值模拟。计算结果表明,采用三维数值流形法进行裂纹扩展模拟是可行的,文中方法对裂纹尖端线非闭合和闭合的情形均适用,且文中方法对于裂纹尖端线位于单元内部的非平面裂纹扩展也是有效的。

基于布尔交运算的三维流形单元生成研究

三维流形单元的生成是进行三维数值流形分析的首要问题之一。详细研究了三维流形单元的生成过程,并采用C++语言编写了相应的程序。借鉴二维流形单元的形成技术,基于拓扑学的"有向性"原理,将点、有向边、有向环、有向面和有向壳等作为三维块体的基本数据结构。将材料体和数学网格进行布尔交运算,并对形成的流形块体进行有效性检测,满足要求后即形成新的三维流形单元。每个数学网格的顶点作为新流形单元的数学覆盖,再对数学覆盖进行细分,形成流形单元的物理覆盖。分别选取凹形体、空心体和包含有限结构面的材料体与数学网格进行布尔交运算,并选取一个典型工程来检查该方法和程序的可行性。计算结果表明,该方法可以对复杂块体(凹形体、空心体和包含有限结构面的体)进行处理,为今后进行复杂结构计算和分析奠定基础,具有较强的适应性和可靠性。

基于布尔运算的复杂块体几何形态分析一般方法

提出采用布尔运算进行三维复杂块体形态分析的一般方法,并采用C++语言编写了相应的程序。块体布尔运算是将参与运算的主块体和客块体进行交、并或差运算,得到形态更加复杂的块体。为描述块体内部非贯通结构面,在块体数据结构中引入退化有向壳,允许块体中混合维度模型的存在。将主块体各面分别与客块体各面进行面-面求交线运算,通过环路分析得到各块体分割后的面。根据具体采用的布尔运算方法,确定有效面和无效面,并将有效面进行搜索得到新的壳和块体。选取3个算例和1个典型工程实例来验证该方法的可行性和应用性。计算结果表明,该方法可以生成形态更加复杂的块体,可以很方便地处理块体中的结构面,具有普遍性和适应性,并具有广泛的实际应用价值。

基于有限结构面的三维复杂块体切割研究

岩体的块体结构和结构面网络模型生成,是进行各种力学分析和场分析的基础。详细研究了有限结构面进行复杂块体切割的过程,提出了相应的算法,并采用C++语言编写了相应的程序。为描述块体切割后的复连通特性,在块体数据结构中添加了有向壳的概念。结构面可以为简单的凸多边形,也可采用形态更加复杂的凹多边形。通过面-面求交线、交线环路搜索形成有向环、有向环包含关系分析形成有向面、有向面拓扑搜索形成有向壳和有向壳包含关系分析形成块体等过程,将有限结构面分别与各块体进行切割运算,形成进行块体切割的一般方法。在切割过程中将得到的有向环,有向面、有向壳和块体分别进行拓扑有效性校核,满足要求后得到最终的块体和结构面网络模型。选取4个算例来验证该方法的可行性。计算结果表明,该方法可以对复杂块体进行有效地切割,结构面可以选择包括凹形面在内的复杂多边形,方法具有普遍意义。

碎石桩加固土质边坡的机理及稳定性评价

云南省华电镇雄电厂边坡的工程地质条件复杂,软弱夹层较多,地基土体基本处于饱和状态,抗剪强度较低.由于以上的工程实际,设计采取碾压堆石压坡的工程措施,局部辅以振冲碎石桩置换,以期对坡体的受力、变形和稳定性等进行改善.利用FLAC3D软件对镇雄边坡的碎石桩加固过程及碾压堆石压坡填土过程进行了三维数值仿真分析,并分析了碎石桩加固土质边坡的机理.考虑复杂地基与碎石桩、挡土墙之间的相互作用,以及碎石桩加固后的排水情况,采用分级加载的方式模拟边坡的填土过程,通过坡体的应力、位移对比,定量分析了碎石桩加固措施的效果.基于强度折减法,采用结点位移法评价边坡的稳定安全状况.计算结果表明,采用碎石桩加固并进行排水后,提高了土体材料的力学性质,减小了孔隙水压力,边坡的受力得到了较大的改善,变形得到了控制,边坡的稳定性较好.

护目镜式水闸结构及稳定分析

针对护目镜式水闸上部结构特殊、受力条件复杂致使对其进行结构及稳定分析难度较大的问题,以山东省某护目镜式水闸为例建立了三维有限元数值模型,采用ANSYS软件计算了闸室段各部位及基底的应力状况,得出拱形桁架及闸门槽部位承受拉应力较大,配筋及实际施工过程中应予以重点关注。同时对护目镜式水闸的安全稳定性进行了评价,指出护目镜式水闸是一种安全新颖的水闸型式。

考虑抗滑桩埋深的边坡抗滑机理研究

为探究有限埋深抗滑桩加固边坡的稳定性分布规律,基于点安全系数确定边坡的临界滑动面,分析不同屈服准则对确定滑动面位置的影响,研究了桩埋深不同时潜在滑动面的变化趋势及埋深相同时沿边坡纵向滑动面的分布规律。结果表明,考虑带抗拉强度的Mohr-Coulomb破坏准则的点安全系数确定的边坡滑动面最深;随着桩埋深的增加,边坡的稳定性先增加后减小;相同桩长下,沿边坡纵向边坡稳定性先减小后增加。

基于数值流形法的重力坝水力劈裂研究

运用数值流形法在非连续介质领域的独特优势,并结合断裂力学的基本原理,分析了重力坝的水力劈裂破坏问题,实现了重力坝起裂、扩展和渐进破坏的全过程。充分发挥应力强度因子判别法和带抗拉强度的摩尔-库仑破坏准则各自的优势,根据不同情况选取其中某种方法确定断裂和扩展方向,且不需要预制初始裂纹。选取一个算例两种工况分析了重力坝在不考虑裂纹面内水压力和考虑裂纹面内水压力的水力劈裂破坏情况。计算结果表明,在重力坝的水力劈裂中,当不考虑裂纹面内水压力时,坝踵处裂纹向下游和深部扩展,上游折坡点处裂纹属于压剪型破坏;当考虑裂纹面内水压力时,坝踵处裂纹偏向深度方向扩展,折坡点处的裂纹逐渐由压剪破坏变成了拉剪破坏,并且考虑裂纹面内水压力后坝体破坏所需要的时步减少,故而考虑裂纹面内水后降低了重力坝的安全系数。该方法加深了对重力坝水力劈裂破坏的认识,具有较大的实际应用价值。

改进的数值流形法在水力劈裂中的应用

数值流形法在非连续变形分析领域具有独特优势。结合裂纹尖端场函数的基本概念,分析了水力劈裂破坏问题,模拟了水力劈裂破坏过程,避免了扩展有限元中的阶跃函数和水平集概念。为了避免裂纹尖端在单元内部不同位置而产生误差,对裂纹尖端附近一定范围内的每一个物理覆盖附加奇异覆盖函数。选取一个算例比较分析了内水压力对应力强度因子的影响,当考虑裂纹面内压时,定量分析比较了各因素对应力强度因子的影响大小,并应用于分支裂纹水力劈裂破坏。计算结果表明,改进后的计算结果与解析解相吻合。未考虑裂纹面内压,误差往往较大。考虑裂纹面内压后,随着裂纹长度的增加,误差逐渐减小;随着网格密度的增加,误差也逐渐减小。分支裂纹的渐进破坏结果表明该改进方法的可行性,具有较大的实际应用价值。

基于数值流形法的三维裂纹扩展研究

基于数值流形法(NMM)进行三维裂纹扩展分析研究,编写了相应的C++程序。充分发挥数值流形法在非连续变形分析领域的优势,不需要扩展有限元中的水平集和阶跃函数概念,应用数值流形法计算结果分析裂纹尖端线的破坏状况,对已有的非局部求迹法和三角形推进法进行简化和扩展,提出一种简化算法确定最终的新裂纹扩展面。应用简化算法对水平钱币型裂纹扩展问题进行数值模拟和对比分析研究。计算结果表明,基于数值流形法的三维裂纹扩展算法是可行的,采用简化处理之后,克服原有算法的不足,大大减少了新裂纹尖端线和新裂纹面的数目,降低了计算网格对新裂纹面的影响,提高了计算效率和扩大了应用范围。

PHC-钢管组合桩高应变检测修正方法

针对PHC-钢管组合桩这类非常规桩的极限承载力设计及高应变检测难题,开展了高应变试验和竖向静载试验。设计制作3根不同长度组合的PHC-钢管组合桩,采用锤击法沉桩,通过高应变现场试验和竖向静载试验,得出基于两种试验数据的极限承载力;依据高应变和竖向静载试验结果,通过理论分析提出了PHC-钢管组合桩高应变实测曲线拟合法的修正方法。结果表明,对于PHC-钢管组合桩,高应变实测曲线拟合法得到的极限承载力大于竖向静载试验下的极限承载力,提出的修正方法计算结果与竖向静载试验结果基本一致,可用于PHC-钢管组合桩极限承载力高应变法检测。

基于改进数值流形法的接触裂纹问题研究

接触裂纹问题在工程结构中较为常见。结合数值流形法在裂纹处理上的优势,分析了压剪荷载作用下的接触裂纹问题,模拟了压剪裂纹渐进扩展过程。为了减少由于裂纹尖端位置不同而产生的误差,对裂纹尖端附近一定范围内的每一个物理覆盖附加奇异覆盖函数项,并根据裂纹尖端位置和单元含奇异物理覆盖的数目进行分区积分。选取一个压剪破坏算例,分析了法向接触力对应力强度因子计算结果的影响,并模拟了其渐进破坏过程。计算结果表明,所提方法在压剪裂纹问题方面的可行性,与未细化和覆盖细化方法得到的结果相比,更能准确地描述裂纹扩展路径。法向接触力对Ⅱ型应力强度因子的贡献为0,对Ⅰ型应力强度因子的影响较大,相对误差随网格密度变化明显,且法向接触力对Ⅰ型应力强度因子的影响要比直接施加内压时的影响大。

三维数值流形法覆盖系统生成算法研究

覆盖系统生成效率低是当前制约三维数值流形法在大型实际工程中应用的瓶颈问题。通过改进三维覆盖系统的生成算法,提出了改进的布尔交运算生成三维覆盖系统的算法,并采用C++语言编写了相应的程序。根据数学网格与物理域的拓扑几何关系,确定采用传统布尔交运算还是由数学网格直接生成流形块体,并对生成的流形块体进行三维块体有效性检查,满足要求后即可生成新的三维流形单元,进而生成所有前处理三维覆盖系统。选取两个简单算例和一个边坡工程问题来说明所提方法的可行性和计算程序的正确性,并通过对比分析说明方法的计算效率。计算结果表明,改进的布尔交运算比传统布尔交运算更高效;随着网格密度的增加,生成一个单元的平均耗时逐渐减少;随着物理域边界复杂程度增加,所提方法计算效率逐渐降低。为今后采用数值流形法进行结构分析奠定基础,具有较强的实际应用价值。

基于三维数值流形法的位移边界处理方法

针对三维数值流形法中罚函数法施加任意方向边界位移和多步加载误差累积问题,通过修正传统三维数值流形法控制方程中的位移边界部分,推导出含沿着某一方向施加边界位移条件和相应的分步加载情况的计算公式,以期扩大控制方程在位移边界处理上的适用范围和减少多步加载误差累积效应。选取2个典型算例进行数值模拟和对比分析,验证该方法的准确性。计算结果表明:文中方法的计算结果与解析解相吻合,修正公式适用于不同方向施加边界位移的情况,具有较强的适应性;考虑位移边界误差修正比不考虑误差修正的计算精度高;随分步加载步数的增多,不考虑位移边界误差修正的累积计算误差逐渐增大,考虑位移边界误差修正的则影响不大。

冻融循环作用下危岩体稳定性劣化机制及敏感参数分析

寒区危岩体常因温度起伏而受到冻融循环作用,使其力学性能劣化;而危岩体失稳破坏的实质是主控结构面的起裂和扩展问题,建立考虑断裂韧度劣化的危岩体稳定性分析方法能为寒区危岩体工程的长期稳定性评价提供理论依据。首先,根据断裂力学及冰冻结分离压力理论,考虑冻融循环作用对岩石Ⅰ型断裂韧度的劣化和结构面冻胀力,构建冻融循环作用下危岩体稳定性评价模型;其次,基于圆孔扩张理论分析冰的冻胀力作用对岩石内部微孔洞的细观劣化机制,建立冻融循环作用下抗拉强度的细观劣化模型;再次,通过理论分析Ⅰ型断裂韧度与抗拉强度、断裂过程区扩展半径的关系,得到Ⅰ型断裂韧度在冻融循环作用下的演化方程;最后,通过危岩体工程算例,分析冻融循环作用下危岩体稳定性的劣化规律,同时利用算例讨论了敏感参数对危岩体稳定性系数和冻胀力的影响规律。结果表明:危岩体在冻融环境下的稳定性与岩石的抗拉强度、弹性模量、孔隙率、岩屑流失比等因素相关;在冻融循环作用下,半径较小的孔洞产生的冻胀力更大,对危岩体稳定的劣化作用更显著;岩石的弹性模量与冻胀力呈正相关关系,岩石抗拉强度越小更易发生冻胀破坏;当岩屑流失比大于0.8时,冻融循环作用对危岩体的长期劣化作用较强,控制冻胀破坏产生的岩屑流失对寒区危岩体长期稳定至关重要。

基于覆盖细化的数值流形法及其在裂纹扩展中的应用

数值流形法是一种基于数学覆盖和物理覆盖的双重覆盖方法,权函数设于数学覆盖上,而位移函数设于物理覆盖上。该文提出了一种基于数值流形法的覆盖细化方法,用来解决二维裂纹扩展问题。对某一待细化流形单元,其加密点是预先确定的,并非所有流形单元均需细化,只有满足一定条件的裂纹前缘单元才有必要进行覆盖细化。所有的细化均基于数学覆盖,覆盖细化过程对于裂纹前缘单元的不同边界条件是不同的。在流形单元进行覆盖细化后,将会产生新的数学覆盖以及相应的物理覆盖和单元。同时,节理环路和接触信息也需要做相应的修正。选取三个常见裂纹扩展的算例进行比较分析,计算结果表明,该文的覆盖细化方法是可行的,相对于原始流形单元而言,裂纹尖端可以处于单元内部,覆盖细化方法获得更高的精度,而不显著地增加未知自由度。