砂土管涌-滤层防治的离散元数值模拟

结合小比尺细观模型试验,利用并开发基于离散元理论的颗粒流程序(PFC3D),充分考虑流固耦合作用,建立渗流理论模型,对不同层间系数下砂土管涌的基料-滤层系统进行离散元数值模拟,跟踪记录渗流过程中砂样运动、流失量、孔隙率、渗透系数、颗粒间接触力、水力梯度等参数的动态变化过程,从细观角度揭示管涌发展过程中颗粒的运动特性和滤层防治机理。数值模拟结果表明,层间系数D15/d85s大小是滤层是否有效的关键因素;在有效的层间系数下,随着水力梯度的加大,基料的细颗粒运动并进入滤层,在滤层-基料交界处存在的自滤现象。模拟结果与有关的模型试验结果吻合较好,一定程度上验证了该数值方法的可行性和合理性。本文所揭示的结果有益于对砂土管涌和滤层防治机理的更深入研究。

倾斜荷载下基桩的改进有限元——有限层分析方法

提出地基加权刚度的概念,对现有有限元有限层法进行改进,用以分析计算倾斜荷载下基桩的受力变形特性,可考虑地基土成层与非均匀性等因素的影响,并能近似考虑地基土的非线性特征及桩身PΔ效应,工程应用结果表明,效果良好。

水平荷载下桩侧土体位移分布的弹性解及其工程应用

首先基于桩土共同工作理论推导出水平荷载作用下桩侧土体内的位移与应力径向分布的弹性解析解;然后,根据变形模量与位移的近似关系确定桩侧地基土体内的变形模量分布,并通过一定范围内的加权平均获得地基土的加权模量,再由有限层法获得地基加权刚度,由此可近似考虑土体的分层与非线性特征。在此基础上,用VB6.0编制出改进的水平受荷桩有限元—有限层计算程序。最后,结合某工程实例,采用所编制的程序讨论了不同桩侧地基土体变形模量分布模式对桩身内力分布的影响规律,对比分析结果表明,基于地基加权刚度的有限元—有限层法能更合理地分析水平受荷桩。

含顺倾弱层边坡三维稳定性计算方法研究

为了解决含顺倾弱层边坡弱层暴露长度的计算难题,综合考虑岩体赋存特征与滑体三维空间形态,构建含顺倾弱层边坡三维滑体的简化力学模型,分析滑体边界上的力学条件,基于极限平衡理论,推导获得确定弱层暴露长度的含顺倾弱层边坡三维稳定性计算方法。将该方法应用于白音华一号露天煤矿,并采用基于连续介质力学的离散元方法(CDEM)进行模拟验证。研究结果表明:白音华一号露天煤矿非工作帮边坡稳定系数Fs与弱层暴露长度L负相关,临界暴露长度约为500 m,允许暴露长度约为300 m;通过该方法确定的弱层暴露长度与模拟结果有显著的一致性。

水平层状围岩铁路隧道地震动力响应特征研究

研究目的:中国汶川8.0级特大地震中,均出现了大量隧道结构的严重震害。国内学者对隧道结构抗震进行了细致深入的研究,主要集中在复杂地质及破碎地段隧道地震反应、偏压隧道与隧道洞口段地震反应、隧道抗减震研究等方面。虽然目前关于隧道与地下结构抗震分析的研究颇丰,但大多是按照均匀连续介质模型进行模拟,考虑水平层状围岩特性的隧道结构动力响应分析还不多见。本文基于连续介质力学的离散元方法软件CDEM模拟水平岩层的结构面特性,主要针对不同水平岩层的厚度和不同地震动输入方向,共计12种计算工况,分析隧道衬砌关键部位的动力响应特性。研究结论:(1)结构面(层面)存在会引起主应力增加,产生相对位移,降低加速度,尤其对穿越中厚层状围岩的隧道要加强措施;(2)地震动方向对隧道衬砌大主应力的影响比较明显,特别对拱顶、墙腰、仰拱的大主应力(压应力)影响比较大,对拱顶的影响尤其明显,且岩层越薄,影响越大;(3)地震动方向对隧道衬砌拱顶的拉应力影响特别大,在竖向地震作用下,拱顶的拉应力将超过1.54 MPa,当岩层层厚为0.2 m时将超过2.66 MPa,已经超过了混凝土的抗拉强度,水平层状围岩隧道拱顶衬砌需加强;(4)该研究结论对类似地质条件下地下工程的建设具有指导意义。

桥梁管理系统中拱桥评价模型研究

桥梁管理系统的核心是准确完善的桥梁评价模型。现有的《城市桥梁养护技术规范》中所用的"基于构件的"缺损状况桥梁评价模型是建立在对梁式桥的分析基础之上,缺乏对拱桥的全面具体分析。说明了"基于构件的"缺损状况评价模型原理,运用分析标定法建立拱桥评价模型,通过实例计算证明模型的可靠性及实用性。

基础隔震多层钢框架结构地震反应分析

基于有限元理论和动力学原理,采用大型有限元分析软件SAP2000建立多层钢框架房屋的非隔震和基础隔震结构三维有限元模型,并运用动力时程分析法对两种模型进行X、Y、Z三个方向的地震动力反应分析。分析结果表明:基础隔震后多层钢框架结构的水平地震反应明显低于非隔震结构。其上部结构的自振周期显著延长,层间剪力大大减小,层间相对位移和楼层加速度远小于非隔震结构,上部结构基本呈现整体平动状态。但基础隔震结构的竖向加速度反应有可能增大,设计中应引起注意。

海底管线服役条件有限元应力分析

采用有限元方法模拟分析了带配重层海洋管准559 mm×28 mm SMYS 450在海底1 500 m和输送压力为25 MPa条件下服役时的应力状态,结果显示,在受配重层约束下的最大位移为0.046 4×10-3m,无配重约束位移为0.104×10-3m;第一主应力和Von mises等效应力的最大值都分布在管体材料和配重层之间的界面处附近,距离管体外表面约2 mm(壁厚28 mm),最大值分别为128 MPa和216 MPa。模拟结果表明,管线运行是安全的,也说明了采用Von mises等效应力准则作为管道问题验收极限是可行的。

用矩阵权函数分析基层底部混合型裂缝的应力强度因子

由于基层材料的变异性、基层干缩 (尤其是水泥基基层 )、温度应力、土基压实不够、施工和养护不当 ,以及混合型荷载等都会在基层形成混合型裂缝 ,这些裂缝很容易形成反射裂缝 ,因而分析基层混合型裂缝应力强度因子就非常有必要。根据能量准则、叠加原理、贝蒂互换定理等推导出用矩阵权函数计算混合型应力强度因子的方法。并分析了待定权函数系数的求法 ,即结合有限元计算混合型裂缝应力强度因子方法求出待定的权函数系数 ,继而得到了矩阵型权函数。并利用有限元检验得到的权函数 ,两种不同方法在不同荷载作用下的计算结果吻合得很好 ,表明该方法可行。并编制了相应的程序来实现上述理论 。

加权残值法在层状地基半解析元法分析中的应用

利用加权残值法中的Galerkin方法建立了成层地基二维、三维问题半解析元法弹性分析的层元刚度方程,及相应的位移边界方程,它们与利用变分方法和虚功方程建立的方程相同。

基于物理的实时人体动画

为了快速而生动地实现人体动画,提出了一种骨架驱动的人体动画的新模型.该模型的结构分线骨骼、三维中间层和控制网格体三层.用截面变形法实现规则三维中间层在线骨骼驱动下的变形;在生物力学的基础上,使用扩展的自由变形技术对不规则三维中间层进行变形.用线性有限元方法,得到了大型稀疏线性方程组,利用预处理共轭梯度法求解了方程组的解,实现了三维中间层对控制网格体的驱动.在控制网格体中嵌入人体皮肤,利用线性插值法,计算得到皮肤变形.实验结果表明,该模型能达得实时性,并能方便地实现肢体的弯曲和扭转.

基于知识工程的机身重量估算方法

重量是飞机的顶层参数,重量估算水平对整个飞机型号至关重要。研究了一种快速、精确的机身重量估算方法,将参数化几何建模和有限元分析方法相结合,快速地建立机身结构有限元模型,初步选择了结构尺寸。利用该方法估算已有机型的机身重量,并对新型布局的机身重量进行估算。结果表明,该方法可以在方案设计阶段对机身重量进行快速、准确的估算,且能评估材料与结构布局参数对机身重量的影响。

基于轻量迭代的体系结构分析方法

软件系统的体系结构是在对系统的需求分析后确定的,他决定了软件系统的质量,因此在设计系统之初就应该重视系统的体系结构。结合某银行系统的部分功能系统设计,提出轻量级迭代分析方法,通过对系统场景分析,找出系统各个组件的基本关系,从而确定系统的体系结构。强调了软件体系结构在软件开发过程中的作用,并提出一种有效的分析设计方法。

基于SBFEM的层状地基埋置管道动力响应求解与分析

针对层状地基,采用改进的比例边界有限元算法(SBFEM)与有限元算法相结合,求解层状地基内刚性埋置管道动力响应问题。改进的比例边界有限元算法引入一个新的坐标变换关系,以一条相似轴代替传统SBFEM的相似中心,并利用加权余量方法得到层状地基动力刚度矩阵方程,最后与有限元法在远场和近场交界面进行耦合,由此求得层状地基埋置管道的动力响应。数值算例验证了算法的准确性,并利用该算法分析了层状地基的非均质特性、泊松比以及埋置深度对管道动力响应的影响,以期为工程实际提供必要的数值依据。结果表明:地基的非均质特性和泊松比对埋置管道的动力响应均有显著的影响;随着埋置深度的加大,管道在相同荷载作用下的动力响应均减小。

基于边光滑有限元的复合空腔声振特性分析

由于色散误差和单元离散的影响,传统有限元法在分析弹性空腔中高频声振特性时计算效率和计算精度较差。采用边光滑有限元法建立空腔的声场模型,并利用GHM(Golla-Hughes-McTavish)模型模拟黏弹性材料,考虑弹性空腔、约束层阻尼结构(constrained layer damping,CLD)以及腔内声场之间的多场耦合,建立了二维CLD弹性空腔的数值模型,分析了复合空腔的声振耦合特性。数值算例表明,在低频范围内本文所建立的混合有限元模型的计算精度与传统有限元模型相当,中高频率范围内本文模型的计算精度和稳定性优于传统有限元法。

多层钢框架结构基础隔震动力时程分析

根据动力学原理和有限元理论,建立多层钢框架房屋的基础固定和基础隔震结构有限元模型,利用SAP2000对模型进行水平方向的地震动力时程分析。分析结果表明,采用基础隔震技术后,多层钢框架结构房屋的水平地震反应明显低于原基础固定结构。其上部结构的自振周期显著延长,层间剪力和基底剪力大大减小,层间相对位移和楼层加速度远小于基础固定结构且各层基本保持不变,上部结构基本呈现整体平动状态。

火力发电厂刚性基层环氧树脂混凝土路面层间黏结性能有限元分析

重点研究了基面层厚度、基面层模量、超载、车辆行驶状态以及不同基面层间接触状态对行车方向、路宽方向上的基面层间剪应力最大值的影响。研究结果表明、增大基面层模量,对于提高层间黏结性能作用不大;增大基面层厚度,对于提高层间黏结性能有利,但考虑到造价等多方面因素的影响,如何合理确定面层厚度,是路面敷设层铺装前必须解决的问题。随着车辆超载量的增加,路面结构层间抗剪能力不断减小,应严格控制超载超限运输;车辆在启动、制动情况下,层间剪应力有较大幅度的增大,是导致路面层间黏结性能失效的关键因素,应引起高度重视;良好的层间接触条件将在一定程度上提高层间黏结性能,从而有效提高路面结构的使用性能及使用寿命。

水稳碎石基层层间状态对路面结构力学响应的影响

考虑基层层间结合状态对沥青路面各结构层的影响,为水泥稳定碎石基层施工方法的选择提供理论依据,本文基于实际路面结构设计,采用ABAQUS有限元软件建立沥青路面结构模型,通过设定不同的层间接触参数考虑施工方法对整个路面结构力学响应的影响。研究结果表明:基层层间接触状态的改变对沥青路面结构层的弯沉、拉应力和剪应力等指标都会产生一定的影响;基层分层施工时,下面层底部的剪应力和水平拉应力最大;灰色关联分析表明:基层层间结合状态对中面层层底剪应力影响最大,对下基层层底水平拉应力影响最小。

基于新型声固耦合方法的汽车振动噪声响应分析

针对传统基于有限元的声固耦合分析方法由于色散误差过大仅适用于低频分析的问题,耦合声学梯度加权有限元法(Gradient-weighted finite element method,GW-FEM)和基于虚拟中心点的离散剪切间隙板壳单元(Centralpoint-based discrete shear gap method,CPDSG),发展了一种精确、高效的新型声固耦合分析方法 GW/CPDSG。基于梯度加权有限元法对声压梯度进行加权重构,采用基于虚拟中心点的离散剪切间隙板壳单元重构板壳单元的剪切应变场,并通过耦合界面处声场和结构场的相容性和平衡条件最终建立系统的耦合方程。将所建立的耦合模型应用于汽车乘员舱声固耦合系统频率响应的分析,数值结果表明,GW/CPDSG方法对中低频声固耦合问题的预测精度显著高于有限元/有限元耦合方法,尤其是对复杂系统声固耦合响应的预测更是表现出了良好的适应性和可靠性,可有效提升可分析频率的上限,降低大规模问题的计算成本,在实际工程问题中具有广阔的应用前景。

三角网格剖分时域有限元法的探地雷达正演模拟

在探地雷达正演方法中,射线追踪法只能获取了波的运动学特征,时域有限差分法虽然能得到波的动力学特征,但是由于时空离散采用规则的结构化Yee单元,不能模拟复杂地质构造下波的传播规律.为了构建更复杂的地电模型和获取雷达波在不同地下构造中传播的波场特征,本文采用三角网格剖分的时域有限元法对探地雷达做正演模拟.时域有限元法可采用非结构化的拓扑网格对求解区域进行网格划分,选择三角形网格剖分物性区域可进一步解决矩形网格剖分对物性参数分布复杂以及几何特征不规则模型适应性差的问题.时域有限元法的求解首先以电磁波的麦克斯韦方程为基础,根据电磁场的本构关系,导出雷达波的波动方程,将波动方程作为微分控制方程并定义时域电磁场中的边值问题,对求解区域进行三角网格剖分后,采用线性插值基函数,应用Galerkin加权余量法对微分方程求解形成线性矩阵方程组,并在解线性方程组时采用LU分解的双共轭梯度法,加快了收敛速度,减小了迭代次数.在时间差分近似时采用Newmark-β法消除由时间步长过大带来的数值色散,实现无条件稳定.在求解区域边界外加完全匹配层吸收外向传播的电磁波,压制来自截断边界处的反射波.通过对构建的地电模型做正演模拟,其研究结果表明:使用三角网格剖分的时域有限元法进行复杂地质构造下的GPR正演数值模拟,构建的正演模型更加接近实际地质构造,具有更高的模拟精度,能进一步解译雷达数据剖面.