浸入运动边界-格子Boltzmann方法4种固含率计算方法对比研究

为了达到流固耦合,格子Boltzmann方法(LBM)可采用浸入运动边界法(IMB)实现移动颗粒边界上的无滑移条件.该耦合方式(IMB-LBM)中固含率计算方法对流固耦合计算精度和效率有影响.对常用的固含率4种计算方法,即蒙特卡洛法(MCM)、单元分解法(UDM)、近似多边形法(APM)和闭合边界法(CBM),分别阐述其具体算法,对比了它们的计算精度和计算效率;最后通过圆盘颗粒非连续变形分析方法(DDDA)与IMB-LBM耦合模型下的一个多颗粒沉降流固耦合算例,对比分析了它们在流固耦合计算过程中的耗时.结果表明:1)CBM无误差,MCM和UDM在随机点数取1000,子单元数取100时误差稳定在1%以下,APM在颗粒直径大于格子长度10倍时,误差小于0.44%;2)MCM和UDM的计算精度及耗时分别与随机点数和子单元数相关,它们的计算耗时大于APM和CBM;3)计算效率上,APM>CBM>UDM>MCM,其中CBM计算耗时略微大于APM,APM和UDM计算耗时分别比MCM少2个和1个数量级.该结果可为IMB-LBM耦合模型中固含率计算方法优选提供借鉴.

岩质工程地质体三维球颗粒计算模型可视化建模

针对难以为离散数值方法建立复杂地质体计算模型的问题,以VC++基础类库(MFC)为开发平台,编写三维球颗粒数值计算模型建模程序。利用开放图形程序接口OpenGL,在程序中实现建模可视化。开发的地表开挖算法及坑道开挖算法可使模型形成复杂地表和各种坑道空间。建模实例表明程序具有建立大型复杂地质体球颗粒计算模型的能力,可适应各种常见的工程地质体建模,有助于促进DEM、DDA等离散数值方法在大型工程中的推广应用。

强降雨入渗下复杂地形排土场稳定性分析

针对某矿复杂地形排土场在降雨作用下可能诱发灾害的问题,设计了4种百年一遇强降雨类型。借助ANSYS建模功能,生成排土场复杂的计算模型;利用FLAC3D流固耦合模块,分别将4种强降雨类型施加在排土场上。以塑形变形区是否贯通以及特征部位位移是否发生突增来判断排土场是否发生破坏。结果表明,若出现强度在5 mm/h以上且持续时间超过40 min的降雨,排土场将有滑坡危险。分析结果为矿山做好险情预防工作提供理论和技术支持。

坝肩混凝土置换洞塞的传力规律及加固效果分析

为真实地模拟拱坝拱端、置换洞、断层和蚀变带之间的相互作用,通过建立地质力学平面模型模拟某高拱坝工程的典型高程断面,采用超载法研究坝肩经混凝土置换洞塞加固处理后的破坏规律和破坏形态,同时建立了未加固方案和加固方案的有限元模型,对模型试验进行补充和对比分析。结果表明,左、右坝肩经加固处理后,坝肩拱推力向山体深部坚硬岩体传递,大坝的超载能力明显提高,坝肩的抗滑稳定性和变形稳定性增强,说明左、右坝肩采用混凝土置换洞塞的加固措施切实可行,研究成果可供类似工程参考。

基于数值模拟监测值突变特征确定工程参数

以一个工程实例为例,探讨利用数值模拟监测值的突变特征来确定工程参数。综合考虑稳定性安全系数、特征部位位移量及受拉程度跟随工程工况的变化特征,推断工程结构的承载极限,从而确定合理的工程参数。与常用方法相比,该法受人为因素影响小,推断结果更为客观。研究方法列出了分析步骤,对类似工程问题的分析具有一定借鉴意义。

基于ISM和AHP以及模糊评判的矿山安全管理能力分析与评价

以矿山安全管理能力系统为研究对象,通过解释结构模型法(ISM)、层次分析法(AHP)并利用模糊综合评判方法,分析和评价矿山安全管理能力。综合影响矿山安全管理能力的16个因素,运用ISM将安全管理能力因素体系构成1个多级递阶模型进行分析。在结构模型的基础上,应用AHP对影响因素权重进行计算,得出影响矿山安全管理能力的主要因素。采用二元相对定权法确定定性指标的隶属矩阵,通过模糊综合评判方法,对安全管理能力进行评价,得出各单位安全管理能力的优越度。研究结果表明:评判结果符合企业的实际情况,所建立的分析评价模式可为矿山安全管理提供指导与借鉴。

深孔爆破装药结构优选数值分析方法及其应用

针对地下深孔爆破采矿过程中常出现的爆破后冲作用严重以及爆破块度不均匀等若干问题,以南方某铅锌矿实际采用的爆破、炸药和岩石参数为基础,采用ANSYS/LS-DYNA对矿山拟采用的不同装药量、不同耦合系数的6种装药结构建立了数值计算模型。通过分析爆炸仿真过程中的Von Mises有效应力信息,结合爆破破岩机制及Mises屈服理论,确定了深孔爆破的最佳炮孔装药结构。现场试验表明,优化的装药结构爆破块度均匀且爆破后冲作用得到有效控制,基本上解决了矿山深孔侧向爆破存在的问题,研究结果为深孔爆破的优化设计提供理论依据和技术支持。

基于FLAC^(3D)的复杂条件下露天转地下开采空区围岩变形及破坏特征

针对铜绿山Ⅰ号矿体露天转地下开采的复杂情况,采用FLAC3D分析不同跨度D及立柱厚度d下采空区围岩的变形及破坏特征;用FISH语言定义岩石剪切破坏的摩尔-库仑判据,实现单元体剪切破坏判据值及其他关键参数在运算过程中的动态监测。依据研究结果,为施工设计提供合理工艺参数。研究结果表明:在空区上移过程中,空区顶板位移及围岩塑性变形区均先减小后增大;立柱稳固时,两者仅与空区跨度有关;立柱不稳固时,立柱厚度开始产生较大影响,跨度增大或立柱变薄,可使两者显著增大,并使空区在更大的顶柱厚度下便受到了露天坑底板压力的影响;立柱稳固时,空区破坏形式均为顶板两端剪切破坏;当跨度D=10 m,且立柱厚度d≤4 m时,立柱开始不稳固,空区破坏形式逐渐转向立柱破坏。

近充填体崩矿过程爆破振动控制研究

采用ANSYS/LS-DYNA分析凡口铅锌矿间柱采场近充填体炮孔的爆炸应力场,提取充填体内一系列节点的振动速度,加以对比分析,以优化炮孔装药结构,控制爆破对充填体的影响。研究结果表明:炸药在炮孔内分布越均匀,爆破对充填体的破坏效应越小;采用空气间隔装药时,爆破能量分布更为均匀,能更有效地控制爆破振动。

复杂条件下露天转地下开采断层对采空区影响研究

针对铜绿山Ⅰ号矿体露天转地下开采的复杂情况,采用FLAC3D分析矿体上盘断层破碎带对采空区的影响,以指导现场施工。分别建立有断层模型和无断层模型,对2模型采用同一种开挖方式：布置1#采场及2#采场,2采场之间留下隔离立柱用于支撑顶板。从压应力及位移量2方面比较2个模型的开挖结果,研究表明,断层使采矿作业条件恶化,主要表现在2个方面：①断层降低了矿体上盘岩体的整体性和连续性,使采场两帮压应力增大0.01～0.45 MPa;②顶柱厚度较大时,断层对1#采场几乎不产生影响,对2#采场影响较大,导致其顶板下沉量增大,表现为2#采场顶板绕立柱顶部旋转;当顶柱厚度h≤16 m时,断层对2个采场均产生影响,均导致其顶板下沉量明显增大,表现为2采场顶板绕1#采场左帮顶部旋转。

基于层次分析法和模糊综合评判方法的安全管理体系优选

为能在安全管理体系的选择工作中做出最优决策,首次建立用于企业安全管理体系的评价指标体系,综合考虑影响企业选择安全管理体系的暂时的、长期的、定量的、定性的等13个指标。简述层次分析法和模糊评判法的基本原理,通过层次分析法,确定各指标的权重集,将待选体系方案的指标因素转换为隶属矩阵,引入二元对比定权法确定定性指标的相对隶属度,从而建立模糊综合评判模型。使用MATLAB 7.1工具进行计算,最后得出各体系方案基于影响因素的综合优越度。将评判模型应用于工程实例,阐述主要过程和分析结果,得出实例中待选体系方案的优越度分别为90.66%、53.42%和84.29%,从而确定最适合企业的安全管理体系。

复杂地基上重力坝的破坏过程及稳定安全度研究

复杂地基上重力坝的整体稳定一直备受关注。为了对复杂地基上重力坝整体稳定及破坏过程进行研究,对某水电枢纽典型坝段进行三维地质力学模型试验,采用超载法对该水电枢纽天然地基方案的典型坝段进行破坏试验。得到坝基的破坏过程及变形变位特点,并得出超载安全系数Kp=3.0。再结合有限元,采用综合法进行计算,所得综合安全系数Kc=2.5。模型试验和计算所得大坝破坏失稳过程相似,两者进行对照,相互验证确保工程稳定分析成果的准确性与可靠性,且研究成果可为类似问题中综合法的使用提供借鉴和参考。

含复杂结构面RCC高拱坝坝肩抗滑稳定研究

复杂地质条件对坝体抗滑稳定极为不利,尤其是存在结构面相互切割成岩块,削弱岩体完整性,对坝肩抗滑稳定影响较大。某RCC高拱坝最大坝高132m,坝址区地质条件复杂,断层和长大裂隙密集带纵横交错,层间剪切带横切山谷,坝肩抗滑稳定问题突出。为了探讨复杂地质条件下结构面对坝肩稳定和变形的影响,采用三维地质力学模型超载法破坏试验并结合有限元计算,对各结构面变位进行分析,揭示了影响左坝肩稳定的结构面是f5、f4、Lp285、L2、fj2、fj3、fj4,影响右坝肩稳定的结构面是f4及Lp4-x、fj3、fj4;模型试验求得坝肩整体稳定非线性变形超载安全系数K_2=3.4～4.3,有限元计算K_2=3.0～4.0,坝肩整体稳定满足要求;在此基础上,基于块体理论,根据坝肩结构面产状及组合,开展了典型滑移块体的失稳研究,并总结滑裂面失稳判定区间,分析得出两岸坝肩3种典型块体中＂关键块体＂位于左岸,试验得到＂关键块体＂安全系数为2.4～3.0,说明复杂结构面削弱坝肩稳定,需进一步进行处理,以提高坝肩抗滑稳定性。

束状深孔拉槽爆破参数优化研究

凡口铅锌矿间柱采场受过去采矿扰动影响,矿岩破碎,掘进切割天井困难。借鉴束状孔爆破的原理,采用束状深孔对间柱采场进行拉槽,取代天井为后续爆破提供自由面和补偿空间。采用ANSYS/LS-DYNA对拉槽孔爆炸应力场进行分析,确定合理拉槽爆破参数。研究结果取得良好现场应用效果。

高拱坝典型拱圈结构模型试验研究与有限元计算分析

某高拱坝坝高、库大,坝址区地质条件较为复杂。该坝体所受到的应力和产生的变形都直接影响到大坝的安全。针对该拱坝地质构造复杂程度较为突出的典型高程拱圈,以结构模型试验为主要研究手段,结合有限元计算,分析了该拱圈在正常工况下的应力和位移分布情况。试验得出:该拱圈的最大压应力出现在左拱端下游面,最大拉应力出现在左半拱端下游面中部,应力值满足规范要求,但呈现出一定的不对称性;两拱端径向和切向变位存在一定的差异,左拱端位移较右拱端大。有限元计算中对左岸增设了垫座进行加固,并计算得出最大压应力位于左岸坝体和垫座交角处,最大拉应力位于垫座上游面;最大顺河向位移位于拱冠梁附近,左岸的顺河向位移明显大于右岸。有限元计算得出的应力与位移分布规律及试验成果相似,两者互为补充。采用垫座加固后的拱圈应力和位移得到了一定程度的改善。鉴于该拱坝左右岸存在的软弱结构面对坝体应力及稳定性存在一定的影响,且因左右岸应力和位移分布呈现出一定的不对称性,建议对坝肩主要结构面采取一定的加固处理措施以确保工程的安全。

基于显式时间积分的球颗粒DDA计算方法

非连续变形分析方法(DDA)是一种平行于有限元法的新型数值计算方法,该方法基于最小势能原理,把每个离散块体的变形、运动和块体之间的接触统一到平衡方程中进行隐式求解。然而,传统DDA方法在计算过程中需组装整体刚度矩阵并联立求解方程组,在用于大型岩土工程问题的三维数值模拟时占用内存较大、耗时较长、计算效率极低。因此,提出一种基于显式时间积分的三维球颗粒DDA方法。该方法在求解过程中不需要组装整体刚度矩阵,在求解加速度时,由于质量矩阵为对角矩阵,可存储为一维向量占用内存较少,且可分块逐自由度求解,效率较高,在接触判断上采用最大位移准则简化了接触算法,采用较小的时步,保证了计算的精确性;通过几个典型算例验证了该方法的准确性及计算效率。

混凝土矩形截面梁弯曲破坏过程的球单元DDA模拟

相对于采用有限单元法,非连续变形分析(DDA)法可以模拟大变形问题。采用接触相对简单的球单元DDA方法对混凝土矩形截面梁的弯曲破坏过程进行模拟。数值模拟结果再现了试件从开裂到破坏的整个过程,并且符合实际破坏现象,说明球单元DDA法在研究混凝土结构方面具有应用前景。

基于球颗粒DDA法的巷道围岩破坏特征分析应用初探

非连续变形分析法(DDA)在岩土工程问题分析中应用广泛。基于球颗粒DDA法的计算原理,以小屯煤矿运输巷道为研究对象,模拟了煤矿巷道顶板裂隙发育、贯通直至破坏的全过程,结果表明:球颗粒DDA法再现的巷道顶部裂隙产生-扩展-破坏特征,与实际裂隙带发育情况吻合,球颗粒DDA在巷道围岩稳定性分析方面具有应用价值。本文研究成果对非连续变形分析方法的应用扩展具有重要意义。

基于Auto CAD和Visual Studio 2010的M-P法计算程序

基于AutoCAD和Visual Studio 2010,采用摩根斯顿-普莱斯法(MorgensternPrice),开发出能计算覆盖整个计算剖面的所有随机滑弧的程序,实现快速找到边坡的潜在不稳定区域的目的。通过实际工程算例,与EMU程序的计算结果对比,验证了本程序计算结果的正确性和实用性。

基于颗粒法的物质热传导建模与可视化仿真

核废料深地质处置等问题常需进行热传导分析,而传统的热传导分析基于连续模型,无法描述热量在两个接触体之间的传递细节。针对这一问题,首先,基于颗粒法将材料离散为一系列的热存储器和热管道,通过与颗粒相关的热存储器和与接触相关的热管道组成的网络实现温度交换。其次,通过Qt搭建程序架构,利用开放图形程序接口OpenGL实现可视化,并通过分析一维薄板、二维对称圆环的热传导特性对其进行正确性验证,同时研究了颗粒粒径和堆积方式对传热的影响。结果表明,该方法能较好地模拟物质的传热过程。