基于FLAC3D的地震作用下边坡动力稳定分析

为进一步研究在地震作用下的边坡动力稳定,以某边坡为例,基于FLAC3D对该边坡在地震作用下的动力稳定进行全面分析,分析了其在地震作用下的加速度响应、位移响应和结构面屈服响应,并分别采用平均时程安全系数法、拟静力法和动力强度折减法求解边坡潜在的3个块体在地震作用下的安全系数,结果表明:相对位置较高、结构面相交处、地形变化幅度较大的区块,在地震作用下的加速度响应更加明显;位移响应一部分随着地震加速度呈现周期性的变化,另一部分随着地震作用而逐渐累积增大,主要位移变化方向与加速度输入方向一致;潜在滑块的位置越高、结构面抗剪强度越低,在地震作用下的变形和位移越大,稳定性越差;潜在底滑面以剪切屈服破坏为主,其他结构面以张拉屈服破坏为主;对于具有明显潜在滑动面、可明确潜在滑块的岩质边坡,采用平均时程安全系数法、拟静力法和动力强度折减法计算地震作用下边坡的安全系数结果基本一致。为防治地震导致的滑坡等次生灾害提供了一定的理论依据和技术支撑。

抗滑桩设计参数对剪力和弯矩的影响

为优化抗滑桩的设计,文章以某边坡为例,基于FLAC3D对抗滑桩的桩长(锚固深度)、截面长度、截面宽度和桩间距做出改变,分析这些设计参数对剪力、弯矩的影响,结果表明:抗滑桩的桩长(锚固深度)、截面长度、截面宽度和桩间距的改变对最大剪力、最大弯矩发生的位置影响很小;对剪力、弯矩的大小和分布的影响呈现出一定规律性。该研究为抗滑桩的设计提供了一定的理论依据和技术支撑。

坝体与库水的流固耦合分析

基于流固耦合分析方法,分别应用势流模式和位移模式2种流体单元模拟库水,并与传统的附加质量方法模拟库水的方法做了比较,结果显示该方法可行;相比附加质量方法,流固耦合方法与理论解更为接近,其中位移模式流体单元对单元形态要求较高。对库水截取区域的敏感性分析表明,流体区域选取3~5倍坝高可以得到较为满意的结果。以重力坝的不同坝顶宽度为例,讨论了需要考虑库水可压缩性的条件,这些成果为后续工作奠定了基础。

坝体—地基—库水体系的动力有限元分析及其应用

基于动力有限元理论建立了坝体-地基-库水体系的数值模型,分析了库水和地基联合作用对结构动力响应的影响,探讨了计算过程中涉及的动力响应输入和地震波处理等相关问题,并以某水电站岸坡坝段为例,比较了坝体-地基-库水模型与传统附加质量-无质量地基模型的地震响应结果。结果表明,与传统附加质量-无质量地基模型相比,坝体-地基-库水模型的位移和应力均有较大的降低,可为设计安全储备提供参考。

基于双滑面模型的混凝土重力坝深层抗滑动力稳定分析方法

地震作用下混凝土重力坝的深层抗滑稳定是设计关心的问题。应用刚体极限平衡方法,并与有限元相结合进行重力坝深层抗滑稳定动力分析,制定了相关的计算流程:①通过黏弹性地基模型考虑地基岩体的辐射阻尼效应;②通过不同岩体中地震波速的分段处理确定入射波在不同岩体中的传播时间,从而考虑岩层的不均匀性;③应用直接计算截面内力的方法提取有限元结果中的滑动力和阻滑力,并采用规范给出的抗滑模型进行深层抗滑稳定分析;④通过敏感性分析确定了双滑面模型的 2个关键参数,并比较了地基均匀性对结构变形和稳定的影响。基于上述计算流程,结合小南海重力坝工程实例,计算了地震作用下重力坝深层抗滑稳定安全系数,计算结果验证了方法的有效性,并与常规方法作了对比,其一致性较好。

基于纤维增强超弹性基体模型的骨骼肌有限元模拟

为了进一步研究骨骼肌复杂的机械动力行为,采用有限元方法对骨骼肌行为进行力学分析。将骨骼肌视为肌纤维和超弹性基体构成的复合材料,纤维应力分为主动和被动两部分,主动应力依赖于疲劳状态、激励波形、收缩速度和现时长度,而被动应力与普通材料相同,仅依赖于现时应变。利用商用软件ABAQUS,对蛙大腿肌进行数值模拟,比较在周期激励作用下,不同时刻的单轴应变和代表性节点的位移分布规律。结果显示,骨骼肌表现出大变形特性,单轴最大应变达到69%。而且由于引入了疲劳函数,所采用的数值分析技术可模拟骨骼肌的主动与被动机械行为,且容易实现,结果稳定可靠。

离子聚合物金属复合材料电致动特性数值模拟

基于ANSYS参数化开发平台,通过编制龙格-库塔算法用户子程序求解离子浓度偏微分方程,采用温度场模型等效模拟水分子重新分布引起的机械变形,制定分析流程,对离子交换膜金属复合材料(IPMC)的电致动特性进行了数值模拟.研究了在外加电场作用下,Na+迁移运动规律与IPMC变形过程特征,通过结果比较证明了所提出方法的正确性.

水分子扩散阻力对IPMC致动特性的影响

基于Tadokoro理论模型,采用有限元方法对离子交换膜金属复合材料(ionic polymermetal composite, IPMC)的电致动特性进行了数值模拟.通过比较求解控制方程中不考虑水分子扩散阻力和考虑水分子扩散力的两种计算模型,着重探讨和比较了水分子扩散阻力对钠离子携带周围水分子的迁移运动规律和变形过程中各个特征物理量的影响.结果表明,控制方程中增加水分子扩散阻力这一非线性项,对最终的宏观挠曲位移影响并不明显;但是对于钠离子浓度、等效应变、内部平衡力分布等物理量影响很大;这种影响还具有区域性特征,主要集中于电极板附近区域,其他区域影响较弱.控制方程中增加水分子扩散力可以更准确地描述钠离子在迁移过程各物理量的变化规律.

江坪河水电站导流洞衬砌失效条件下涌水量计算及预测分析

最大涌水量的测算是江坪河水电站导流洞应急抢险排水预案设计的关键问题。为此,分别采用解析方法和有限元数值方法预测了江坪河水电站导流洞衬砌失效的极端假设条件下导流洞的涌水量,通过两个方法计算结果对比,验证了解析方法求解方形断面隧洞涌水量的适用性,进而对不同渗透系数进行敏感性分析。结果表明,在不考虑灌浆且围岩渗透系数一定的条件下,江坪河水电站导流洞涌水量随着初期支护渗透系数的降低而不断减小;同时,预测了不同渗透系数对应的最大涌水量,可为应急抢险设计提供参考依据。

基于ANSYS的桥梁参数化建模

介绍了在有限元分析软件ANSYS平台上,利用ANSYS二次开发工具UIDL,APDL,UPFs,以及VisualC++,Visual Fortran,实现参数化建立桥梁有限元计算模型的技术和方法,并给出了2个工程实例。相对传统的手工建模方式,参数化建模能显著减少工作量,缩短桥梁设计周期。

重力坝高闸墩抗震特性分析

强震作用下重力坝上部闸墩动应力较大。结合工程实例,分别采用振型分解反应谱法和时程法,对不同方案重力坝高闸墩整体结构和墩墙结构的动力特性进行对比研究。研究结果表明,增加墩墙刚度的同时减小坝体溢流堰附近的质量,可有效减小地震作用下上部墩墙大应力区域,减震效果明显。

多材料开口薄板弯曲问题无网格分析

无网格方法计算含裂纹多材料薄板弯曲小变形问题具有节点自由度少,计算模型容易建立的优点.针对含有长直裂纹、材料界面开裂的双材料方形薄板问题,利用无网格伽辽金(EFG)方法进行计算分析,结果表明,无网格EFG方法使用更少的节点能够达到与有限元方法相近的计算精度.

部分重叠覆盖的数值流形方法初步研究

数值流形方法(简称流形法)采用基于完全重叠覆盖的有限元网格作为数学网格,物理网格与数学网格的不匹配导致结构一些关键部位的计算精度下降。针对此问题,首次提出部分重叠覆盖的流形法,采用以独立覆盖为主的分析方式,独立覆盖之间仅用较小的部分重叠区域保持连续性,从而将现有的基于完全重叠覆盖的流形法扩展到一般意义上的流形研究。对矩形部分重叠覆盖进行初步研究,通过单个矩形数学网格各结点之间的自由度约束方式,很方便地将完全重叠的覆盖形式及流形法公式转化为部分重叠的覆盖形式及公式。算例分析初步验证了这种新型流形法的有效性。

软弱围岩中的新型双层复合衬砌的受力特性研究及渗水风险分析

某输水隧洞位于河床的软弱砂岩中,其双层复合预应力衬砌结构形式新颖,受力条件复杂。为了解这种新型双层复合预应力衬砌的工作性态和受力特性,分别采用现场1∶1仿真模型试验方法、三维非线性有限元数值分析方法,并将数值分析结果与仿真试验进行对比分析。有限元分析按照仿真模型试验中管片拼装、分层填土、内衬浇筑、内衬预应力张拉以及内衬充水加压的实际过程模拟,计算中考虑衬砌与土体的耦合效应,通过外衬变形反分析调整土体计算参数,采用基于直接约束的接触迭代算法模拟管片与管片之间、内衬与外衬之间的多重接触与传力。研究结果显示,无论是结构变形、缝隙开度还是结构应力,有限元分析与仿真试验规律一致,数值接近,两种方法相互验证了这种具有多重复杂接触边界的非连续变形柔性结构的受力特性,明确了内、外衬的传力机制;在此基础上,进一步分析高压内水外渗对结构安全性的影响以及预防措施,其研究成果可供类似工程参考。

基于独立覆盖的流形法的收敛性及覆盖网格特性

针对前期提出的基于部分重叠覆盖的数值流形方法,将其内涵范围缩小,仅研究其中的一种情况——基于独立覆盖的数值流形方法。从完备性和协调性2个方面讨论该方法的收敛性,特别强调其收敛性是基于各个独立覆盖的逼近而建立起来的,独立覆盖之间条形连接区域的尺寸要取小,并由此推断及用实例说明,覆盖网格可以具备"3个任意"的优良特性——任意形状、任意连接以及由此而来的可任意加密的能力,从而有望使数值计算的前处理工作大为简化。

基于矩形独立覆盖初步实现结构静力分析的自动计算

采用前期研究的基于矩形独立覆盖的新型数值流形法,提出结构线弹性静力分析的自动计算方法,包括自动的前处理、自适应分析等。根据独立覆盖的特点提出几个后验误差指标:独立覆盖之间条形连接区域的应变连续性指标;边界应力指标和独立覆盖的高阶误差指标。利用新方法的h型网格加密及p型升阶的方便性,选择一种路径尝试h-p型的混合自适应,其中,对于矩形独立覆盖采用简单的二分法实现覆盖加密。通过几个二维算例验证了新方法实现自动计算的可行性,只需人工输入结构外形、材料参数和边界条件,其它工作完全交由计算机完成,最终得到满足一定精度的计算结果。

裂纹尖端解析解与周边数值解联合求解应力强度因子

由于裂纹尖端位移和应力分布的复杂性,采用常规数值方法(如有限元法)的插值方式不易获得快速收敛的应力强度因子计算值。基于数值流形方法,提出将裂纹尖端Williams解析解与其周边高阶多项式级数的数值解联合应用以求解应力强度因子的新方法:在裂纹尖端所在网格的结点上采用Williams位移解析级数,并用结点自由度强制约束方式得到裂纹尖端区域的解析级数;在与之相邻的周边网格内将解析级数与多项式级数用形函数连接;给出应变矩阵和刚度矩阵的具体表达式及积分方式;利用数值流形方法的网格与材料边界分离的特性以及不连续覆盖技术,使裂纹可以在网格内穿过,给材料边界(包括裂纹边界)附近的网格划分带来很大的方便;通过典型算例验证了方法的有效性。考虑到Williams级数是对裂纹尖端位移场的最佳逼近,这种新方法相比扩展有限元等其他新方法而言将有更快的收敛性。

钢-聚丙烯混杂纤维混凝土与变形钢筋粘结破坏试验研究

为研究混杂纤维混凝土的力学特性,以纤维体积率和长径比为关键变量,采用单端中心拉拔试验方法,进行了钢-聚丙烯混杂纤维混凝土(SPHFRC)与带肋变形钢筋粘结破坏的试验研究,建立了粘结强度计算公式。试验结果表明:SPHFRC与变形钢筋之间的粘结强度与SPHFRC的强度正相关。相比于单掺钢纤维混凝土、单掺聚丙烯纤维混凝土和普通混凝土,SPHFRC的极限粘结强度相应提高9.2%、20.8%和26.2%;混杂纤维不仅提高了钢筋周围混凝土的抗拉强度,同时提供了侧向约束,在钢筋混凝土粘结破坏的全过程路径中均发挥着有利作用。本文提出的SPHFRC与变形钢筋粘结强度计算公式明确清晰,适用性良好,为促进混杂纤维钢筋混凝土的应用提供有益的探索。具有互补性的混杂纤维,在正混杂效应下,可有效提高混凝土的综合力学性能。本研究可为相应技术规程提供理论支持与试验依据。

ANSYS前处理与AutoCAD的系统集成

介绍了一种基于ObjectARX的ANSYS前处理与AutoCAD的系统集成方法.开发的系统以面向对象的ObjectARX作为开发工具,实现与AutoCAD的无缝结合,能够方便地将AutoCAD几何模型转换为AN-SYS有限元模型.

自重施加方式对高拱坝廊道结构应力及配筋的影响

自重工况一般是高拱坝内廊道配筋设计的控制工况,由于高拱坝施工过程的特殊性及复杂性,有限元计算中自重有多种施加方式。结合工程实例,对高拱坝基础廊道结构进行三维有限元分析,比较不同自重施加方式对廊道结构应力及配筋的影响。研究结果表明:按整体自重考虑时,廊道结构应力及配筋面积明显偏小;全部按分缝自重考虑时,廊道结构应力及配筋面积明显大于按施工过程考虑自重的结果;为符合实际施工过程及结构承载规律,保证结构安全及经济合理,在拱坝结构的有限元计算中应按照施工过程考虑自重荷载。该研究成果对泄洪孔结构的应力分析也具有参考价值。