三维弹粘塑性块体元法分析软件的面向对象开发

介绍了三维弹粘塑性块体元理论的基本原理。用VC++ 和AVS编制了块体元法分析软件,实现了人机交互功能。该软件集成了块体元分析的前处理、应力应变分析和后处理三大模块,给出了一种应用于该分析理论的科学计算可视化的有效途径。通过算例,验证了软件的实用性。

岩石边坡开挖及加固分析的弹粘塑性块体元方法

首先介绍可用于边坡开挖及加固分析的弹粘塑性块体元方法。该法把岩体视为具有弹粘塑性性质的结构面切割形成的刚性块体系统,考虑加固构件在结构面上变形的协调条件,建立求解块体系统和加固构件系统的变形和破坏过程。然后介绍该方法在小湾高拱坝坝肩和坝基开挖施工期稳定性研究中的应用情况。

水工结构的块体元和有限元耦合分析方法

据虚功原理，提出了三维高阶段谱弹粘塑必块体元和有限元的耦合分析方法，两种不同类型单元的耦合是通过单元之间结构面的变形协调来实现的，运用该方法计算一个水工结构典型算例，并与弹粘弹性有限元方法的计算结果进行了对比，验证了所提出了耦合分析方法的正确性和有效性，块体元和有限元的耦合分析方法兼具块体元法和有限元法的优点，前处理简单，特别适合于复杂地质条件下的水工及岩土工程结构的变形和稳定分析。

碾压混凝土坝结构性态的块体元与有限元耦合分析模型

将有限元和块体元相结合,用有限元描述碾压混凝土本体内部的位移场和应力场,用块体元从整体上分析层面的影响.在对有限元和块体元耦合效应分析的基础上,针对碾压混凝土坝的成层特点和分区界面之间变形的不连续性,建立了碾压混凝土坝的变形分析模型,并编制了相应的耦合计算分析程序.实例表明,该分析模型能较好地模拟碾压混凝土坝的工作性态,既可描述碾压混凝土坝的复杂变形,又可分析其破坏过程,充分发挥了块体元与有限元各自的优势.

空间理性八节点块体元

推导出空间八节点块体理性有限元列式 ,采用具有直到三次多项式的空间问题的微分方程的解作为插值的近似函数 ,数例结果表明空间理性八节点块体元的有效性。

大坝及地基稳定性的块体元分析

本文采用弹塑性块体单元法计算三峡大坝左岸３＃厂房坝段及地基的位移场和应力场，并根据位移突变和屈服区连通两类失稳判据确定其强度储备安全系数。文章还对地基内结构面具有不同连通信的情况进行了稳定性分析。

三维块体元塑性极限分析下限法

基于块体元离散思想,将三维边坡离散为块体-结构面组成的块体系统,假定块体为刚体,以结构面上的应力为未知量;从下限定理出发,构造满足平衡条件、边界条件和屈服条件的静力许可场,平衡方程严格满足3方向力平衡及绕3个主轴方向的力矩平衡条件,为避免非线性规划,对屈服条件进行线性化处理;最后,建立了下限法数学规划模型,通过线性及非线性规划获得边坡稳定严格的下限解。用几个典型算例验证了文中方法的正确性及可行性。

基于高阶块体元-有限元建模的混凝土细观数值分析

提出一个高阶块体元-有限元的混合建模方法进行混凝土的细观数值模拟,即采用高阶块体元离散骨料区域、有限元离散水泥砂浆区域、高阶块体元与有限元相结合的界面元离散混凝土内部的界面过渡区,既避免了复杂的网格划分及其带来的庞大计算规模问题,又便于边界条件的施加。在传统塑性损伤模型的框架下,建立了一个关于微裂纹表征的水泥砂浆损伤模型,该损伤模型能够反映由微裂纹产生所导致泊松效应弱化现象;提出一个界面过渡区的双曲滑移开裂面,并通过相对开裂位移量和相对滑移位移量,定义了界面抗拉强度和内聚力的后继软化规律,同时引入二次流动势面反映压应力状态下界面过渡区的非关联流动特性;采用建立的高阶块体元-有限元混合模型对混凝土进行细观非线性计算分析,获得了混凝土内部界面过渡区和砂浆的破坏特点,揭示了骨料对损伤路径的影响规律。

碎石集料变形机理的块体元数值试验分析

块碎石作为道砟材料能够分散列车动荷载,加之其内部含有大量空隙,具有良好的对流换热特性,作为冷却冻土路基的材料在青藏铁路建设中被广泛使用。但在列车荷载的作用下,碎石集料会发生压密、变形乃至破碎从而影响冷却效果。因此,研究碎石层的变形过程及机理具有十分重要的现实意义。基于块体离散元法,对块碎石集料的三轴剪切试验进行了数值分析,将所得应力-应变曲线与室内试验结果进行了对比,发现两者能较好地吻合,说明块体离散元法能够较好地模拟块碎石集料的受力变形过程。结果表明:增大围压或块体粒径,块体单元受到的作用力加强,集料的偏应力强度和抗剪强度值也随之增大。碎石块体在剪切作用下沿其接触面滑动分离,形成X形剪切带是集料变形的主要形式,此外在径向方向出现不同程度的扩张。基于试验和块体元研究路基碎石层的思路和方法可为今后评估青藏铁路碎石路基的热力稳定性提供理论依据和参数储备。

基于块体离散元法的盾构掘进围岩与管片变形模拟研究

针对有限差分法及有限元法等连续介质数值方法无法模拟砂卵石地层的离散介质属性的问题,基于块体离散元方法,建立离散元模型,模拟盾构穿越砂卵石地层的掘进过程,研究盾构掘进过程中砂卵石地层中块体或颗粒间结构面的位移以及围岩与管片变形;将砂卵石地层等效为连续介质,建立有限差分模型模拟盾构掘进过程,并且对比离散元模型与有限差分模型计算结果之间的差异。结果表明:离散元模型中结构面正法向位移超过0.1 mm的区域主要集中在仰拱处,结构面负法向位移超过0.1 mm的区域位于两侧拱腰处,结构面切向位移超过0.4 mm的区域主要集中在仰拱处;对于围岩和管片的变形,离散元法的计算结果均大于有限差分法,因此采用离散元方法对砂卵石地层中隧道及管片的设计方案进行验证相对更加安全、合理。

混凝土细观力学仿真分析的块体元-有限元耦合方法

假定混凝土是由砂浆和骨料组成的两相非均质材料,采用块体单元法模拟骨料,有限单元法模拟砂浆,基于虚功原理,建立了混凝土细观力学仿真分析的块体元-有限元耦合方法.假定混凝土骨料为刚体,砂浆为理想弹塑性材料,采用FORTRAN语言,编制了块体元-有限元耦合分析程序.运用该耦合分析程序,对耦合面刚度敏感性进行分析,得到了合适的耦合面刚度取值量级,在此基础上,采用Drucker-Prager准则,仅考虑砂浆单元的屈服,分别研究了二维和三维混凝土试件在荷载作用下的屈服、破坏过程,计算结果符合一般规律,验证了所提方法的有效性和正确性.块体元-有限元耦合分析方法兼具块体元法和有限元法的优点,前处理简单,单元数目少,计算量小,并且充分考虑了砂浆和骨料的材料力学特性差异,可以进行含有多面体骨料的三维混凝土模型的数值模拟,较精确方便地计算混凝土在荷载作用下的应力、应变,模拟混凝土的屈服、破坏过程.

8-21节点块体精化不协调元

本文基于文［２］提出的精化直接刚度法的变分原理，构造了８－２１节点元的精化不协调位移模式，并装入ＳＡＰ５程序中，该单元能通过分片试验。数据结果表明：采用精化直接刚度法，可以有效地改变单元特性，使新单元在具备原单元的简单、高效、可靠性好的同时，在精度。

对偶变量块体混合元及其位移元的收敛性和精度分析

弹性力学Hamilton正则方程和Hamilton混合元的等效刚度系数矩阵,均具有直观的辛特性.基于H-R变分原理和弹性力学保辛理论建立的对偶变量块体混合元,其等效刚度系数矩阵同样具有直观的辛特性.根据对偶变量块体混合元列式,可直接建立问题的控制方程,进行混合法求解.同时,通过对偶变量块体混合元列式可以导出对偶变量块体位移元列式,建立问题的控制方程后,可先求位移的解.数值实例表明:线性8结点对偶变量块体位移减缩积分元的各力学量的收敛速度均衡、收敛过程稳定、结果精度高,其应力变量的收敛速度与传统的20结点位移协调减缩积分元接近.对偶变量块体位移元具有普适性.

非连续变形接触问题的分区有限元-块体界面元动力混合算法

本文针对动力情况下不连续变形问题,提出一种新的接触面动力迭代求解方法,即分区有限元与块体界面元动力混合算法。在接触问题基本概念的基础上描述了该混合算法的力学模型。由接触力与接触点对总位移的非线性关系,推导了包含接触力、块体形心刚体加速度和接触节点总位移在内的非线性方程;建立了以界面接触力和块体形心刚体加速度为混合变量与界面结点总位移进行迭代求解的动力界面迭代方程。由此,能够精确求解至界面上接触点对全部失效的状态,从而实现连续—非连续过程的模拟。该混合解法仅将非线性迭代收缩到接触界面上进行,从而大幅提高局部位移非连续问题的计算效率。通过典型算例验证了该混合算法的正确性和有效性。

水垫塘反拱底板稳定性的块体弹簧元分析

本文首次建立用于分析水垫塘反拱底板稳定的块体弹簧元的数学模型 ,并编制了相应的计算程序 ,结合黄河拉西瓦工程分析了反拱底板的稳定性 ,计算结果与试验结果吻合较好。该方法较好地模拟了反拱底板的受力特征和失稳机理 ,计算结果可靠且精度较高 ,对工程设计有较高的参考和实用价值。

基于块体离散元法的多面体接触重叠算法

近年来随着非连续介质力学方法的发展,离散元法成为了颗粒材料的物理力学特性研究的重要工具。而对于任意形状复杂块体,精确的接触检测算法一直是离散元法的难题之一。本文基于几何对偶理论,在耦合模拟器CoSim(Coupling Simulator)的块体离散元框架下开发了多面体接触重叠算法。该算法融合了GJK(Gilbert-Johnson-Keerthi)和快速凸包等算法,能够准确计算重叠多面体,进而从接触重叠体中提取接触点、法线方向、接触面积和嵌入深度等接触特性。通过颗粒碰撞测试和砌体结构破坏试验,验证了该算法的准确性和适用性,能够解决多面体的接触问题。

基于块体离散元的厚煤层沿空巷道合理煤柱宽度分析

沿空巷道是煤炭资源绿色高效回采的重要技术,厚煤层中的沿空巷道矿压显现较为剧烈,具有其独特性。以范各庄矿2375工作面顺槽为工程背景,采用块体离散元计算程序UDEC模拟分析了不同宽度护巷煤柱条件下厚煤层中沿空巷道围岩的稳定性,确定了该矿地质条件下合理煤柱宽度为5.5 m。现场实践表明:采用该宽度煤柱护巷后,巷道断面率满足生产要求,验证了设计参数的合理性。相关研究成果可为类似赋存条件下的厚煤层沿空巷道设计提供参考借鉴。

基于离散元方法的深部巷道层状围岩稳定特性研究

采用块体离散元方法UDEC,通过细观参数校核及无支护状态的宏观物理-数值模型对比,建立了深部层状围岩巷道模型,分析了4种支护方式对深部巷道层状围岩体承载特性及变形破坏特征的影响。在块体离散元巷道模型基础上,为进一步研究深部矩形巷道层状围岩体承载能力,通过监测模型内部的应力、塑性区分布及顶底板和两帮位移,对不同支护方式的压力拱成拱特性进行了分析。研究结果表明:不同支护方式下深部巷道顶底板及两帮围岩均出现了应力集中区,采用锚杆+锚索+喷射混凝土+工字钢支护后巷道表面收敛程度及围岩的位移均最小,支护效果最明显,对围岩的控制效果最好。研究结果可为实际工程中的矩形巷道层状围岩稳定性控制提供参考。

基于离散元方法的层理发育地层水力裂缝扩展规律

层理发育是页岩储层的典型特征,水力裂缝能否穿过层理面继续扩展决定了裂缝形态的复杂程度,其中层理强度是影响水力裂缝穿层行为的关键因素。为了探究层理强度对水力裂缝穿层行为的影响,采用块体离散元方法,分别计算了层理面的抗剪强度(黏聚力)和抗拉强度对水力裂缝在层状地层内扩展行为的影响。结果表明,水力裂缝遇到水平层理后的形态可分为转向层理面扩展和继续竖向扩展两种类型。层理面强度对水力裂缝的穿层能力具有显著影响,当层理面的抗拉强度和抗剪强度均较低时,水力裂缝的穿层能力差,水力裂缝不能穿过层理;当层理面的抗拉强度和抗剪强度均较高时,水力裂缝的穿层能力增强,水力裂缝穿过层理面扩展;当层理面的某一个强度较低时(抗拉或抗剪),则低强度因素成为主控因素,另一强度参数的增加不会改变水力裂缝的穿层能力。厘清了层理强度对水力裂缝穿层行为的影响,对层理发育地层的水力压裂施工具有重要的理论指导意义。

矿震扰动下临空煤柱变形失稳机制研究

七五煤业23_(上)15孤岛工作面,受采空区、厚硬顶板、煤柱尺寸等影响,巷道围岩存在应力集中现象。基于23_(上)15孤岛工作面的地质情况,利用UDEC数值模拟软件进行二次开发,研究了矿震扰动下沿空巷道煤柱的冲击显现特征;分析了临空煤柱最大主应力的演化规律;明确了矿震扰动下煤柱内部的损伤机制;提出了基于厚硬顶板、煤柱条件下沿空巷道冲击地压防治技术方案。通过防冲方案的实施,现场工程显示沿空巷道围岩应力集中现象得到控制,易诱发冲击的大能量事件大幅减少,为指导类似沿空巷道冲击地压防治提供借鉴。