复合单元法模拟应变局部化若干关键技术研究

复合单元法作为一种模拟应变局部化的新方法,展现出强大的生命力。系统介绍了复合单元法追踪模拟应变局部化的4项关键技术,并编写了相应的程序。其中复合单元拓扑信息自动生成、局部化带出现前后瞬时场变量继承、局部化带软化特性模拟等3项技术是复合单元法模拟局部化的关键,而破坏廊道拟合技术则拓展了应变局部化带追踪技术,克服了当前单元首尾相接逐一扩展追踪方法的不足,能得到和实际现象更吻合的有一定厚度的应变局部化带。此外,拟合的破坏廊道还可用于复核局部化带发展追踪模拟。这几项关键技术的程序实现,简化了前处理工作,提高了分析效率,为复合单元法追踪模拟应变局部化奠定了坚实基础。

加锚岩体的三维复合单元模型研究

首先提出了复合单元的概念,然后将其应用于建立砂浆固结锚杆的分析模型。该模型考虑了岩体、砂浆、锚杆、岩体/砂浆接触面、砂浆/锚杆接触面等多重介质。借助阶谱的概念,复合单元可以纳入常规有限单元法分析中去。当某单元不含锚杆时,即退化为常规有限单元。应用该模型进行加固布设优化分析,当单元内锚杆的数量与方向改变时,计算网格无需变化,从而为大规模三维复杂结构计算分析的前处理提供较大便利。模型在有限单元软件CORE3中实现。并提供了计算实例。

模拟高拱坝施工期横缝工作性态的接触-接缝复合单元

考虑施工期高拱坝横缝的真实工作性态以及影响横缝开合度的各种因素,提出一种新的非线性接触-接缝复合单元,该单元可以模拟横缝在灌浆过程中的变形和受力状态上的转化规律,并导出横缝灌浆时刻复合单元的具体转化格式,详细介绍接触-接缝复合单元的数值实施步骤,编制数值程序。小湾高拱坝横缝开合度的数值仿真模拟计算结果表明了该复合单元的可行性和实用性。

不连续岩体的三维弹粘塑性复合单元模型研究

阐述了复合单元法的原理,并在此基础上提出了针对不连续岩体的算法。该算法最突出的特点是每个复合单元可以含有几个不连续面,如断层或节理。该算法的主要优点是可以方便地整合到传统有限元分析程序中,且当结构中含有较多需在计算中离散处理的不连续面时,计算网格的生成不受不连续面的数量、位置和方向的影响。算例表明这种新方法是合理和有效的。

含复杂裂隙网络岩体渗流特性研究的复合单元法

研究含复杂裂隙网络岩体渗流特性的复合单元法,该方法首先利用蒙特卡罗方法随机生成符合给定概率分布特征的复杂裂隙网络;然后通过交切和拓扑运算将各裂隙段置于常规有限单元内部,形成内含由多个裂隙段分划而成的子单元的复合单元,根据推导的公式计算渗流场进而分析岩体的渗透特性。该方法具有以下几个主要特点:(1)可与传统的有限元法融合;(2)可考虑每条裂隙的具体位置、产状、开度、长度和渗透性质;(3)可考虑岩石的渗透性及其与裂隙间的流量交换;(4)可计入不连通裂隙对渗流场的影响;(5)复合单元的拓扑信息由裂隙网络与常规有限单元边界的交切及其单元内部裂隙段的相互交切而生成,由于先没有考虑裂隙,故复合单元前处理简单。用复合单元法分析含复杂裂隙网络岩体的渗流行为及其渗流特性是一种新的数值模拟手段。算例分析表明该方法的可行性和有效性。

应变局部化带追踪模拟的复合单元方法与应用

利用复合单元技术考虑应变局部化带的影响,提出一种新的追踪应变局部化带发展的算法。通过直接降低材料参数来体现应变局部化带内软化的影响,对所有可能发生的应变局部化带的位置和方向进行记录与模拟;借用节理裂隙的统计方法拟合局部化带,得到破坏通道;然后重新对该破坏通道和原有网格信息进行复合单元的拓扑信息生成,并在此基础上重新进行计算,对局部化带发展追踪过程进行复核。该算法不要求追踪路径的连续性,并可充分考虑各局部化带间的相互影响。边坡算例证实所提出方法的可行性和可靠性,宝珠寺大坝的数值计算与模型试验的对比分析则说明提出的方法已具备解决实际工程问题的能力。

岩石裂隙渗流与法向应力耦合的复合单元模型

首先,基于复合单元原理,建立渗流与法向应力耦合分析的复合单元模型,该模型前处理简便快捷,可含有一组或几组有明确定位的裂隙面,且可考虑裂隙面与相邻岩块的流量交换;然后,采用两场交叉迭代算法,对岩石裂隙的渗流场与应力场进行耦合分析。模型中视岩石裂隙为虚拟的"充填介质",采用"充填模型"将有充填和无充填的岩石裂隙统一处理,并进行裂隙面开度与其法向有效应力关系的推导。依据的耦合机制为:法向应力的作用导致裂隙面开度的变化,从而引起裂隙面导水系数的改变,以至渗流场的改变,从而反过来影响应力场。算例分析表明法向应力作用会引起裂隙岩体的渗透不均匀性:局部区域的渗透坡降、扬压力和渗透流速显著增大。研究结果表明在裂隙岩体中进行渗流与应力耦合分析的重要性。

一种新型复合单元频率选择表面

提出了一种新型复合单元频率选择表面,用模式匹配方法得到了该周期表面未知电场的积分方程。给出了这种新型复合单元的电场基函数,用矩量法求解该积分方程,得到了不同入射角对这种新型复合单元FSS的频率响应特性曲线。计算结果表明,这种新型复合单元频率选择表面具有两个角稳定性很好的频带,这在通信系统和雷达系统中具有广泛的应用前景。

复合单元法在求解有自由面渗流问题中的应用

论文指出了在有限元分析过程中地下水自由面上、下的区别,提出可采用复合单元法处理常应变交截单元,并以四面体单元为例,推导出了自由面与单元交截的截面方程,详细说明了复合单元法的原理、系数矩阵的求解方法、推导出体积分和曲面积分的求解公式。

不连续岩体温度场的复合单元模型初步研究

基于复合单元法原理和不稳定温度场的隐式解法,提出针对不连续岩体温度场的复合单元法。该算法的特点是每个复合单元可以含有任意的不连续面,如断层或节理,且当结构中含有需在计算中离散处理的不连续面时,网格的生成不受不连续面的数量、位置和方向的影响。初步研究针对含1条节理的复合单元模型展开,假定岩块中无对流和辐射影响,推导岩块子单元和不连续面的热传导计算式,得到不连续岩体温度场的复合单元算法基本方程组,然后将该算法整合到传统有限元分析程序中。分别采用传统有限单元和复合单元法模拟热水流过单条裂隙时岩体温度场的变化过程,二者的计算结果非常接近,表明不连续岩体温度场的复合单元算法是合理和有效的,但其配套的温度场等值线后处理程序有待进一步完善。该算法的提出为深部岩体的多场耦合研究提供又一思路。

模拟排水孔的复合单元法研究

用复合单元法进行渗流分析时,视排水孔为强渗透介质,并将其作为“空气子单元”置于常规岩(土)体单元内部,形成涵盖排水孔的复合单元,但排水孔无需在计算网格中绘出。该方法既可以精细模拟每个排水孔的作用,又避免了绘制排水孔网格的困难。当排水孔的设计发生变化时,也无需改变计算网格,有利于多方案的比较与优化。算例分析表明,对空气子单元“渗透系数”的取值,承压井在不同水力条件下基本不变,无压井则大大小于承压井。当选取了合适的“界面导水系数”后,复合单元法的计算结果与有限单元法非常接近。

地下工程渗流排水孔数值模拟的隐式复合单元法

根据渗流基本原理,提出了排水孔在地下工程中渗流数值模拟的隐式复合单元法。将排水孔隐含于模型网格中,得到排水孔在模型中的数据信息。判断所有排水孔与单元的相对位置,通过修正排水孔所穿过单元的渗透传导矩阵来模拟排水孔的强排水效果,并通过实例对排水子结构法和隐式复合单元法进行了比较。运用编制的三维有限元计算程序对某地下水电站厂房渗流场及排水孔进行了模拟,结果表明,采用隐式复合单元法对排水孔进行模拟是可行的。

含排水孔渗流场的p型自适应复合单元法分析

用复合单元法进行渗流分析时,视排水孔为强渗透介质,并将其作为“空气子单元”置于常规岩(土)体单元内部,形成涵盖排水孔的复合单元。复合单元法的计算网格可以较为“粗糙和随意”。但由于在排水孔附近流场变化剧烈,常规的低阶形函数已不能满足精度要求。采用p型自适应技术提高复合单元的形函数阶次后,就能够较好地模拟排水孔附近处的渗流场。应用p型自适应复合单元法,可以将复杂的前处理问题转化为复杂的计算问题,从而极大地降低了对网格剖分的要求,当排水孔的位置发生变化时,也无需改变计算网格。算例分析表明该方法的优越性。

不连续岩体渗流的复合单元法初步研究

基于复合单元法的原理,提出了不连续岩体三维渗流的新算法。该算法具有以下3个主要特点:(1)不连续面(如断层或节理)含于复合单元之中,在划分网格时不予考虑,使网格的生成大大简化;(2)复合单元中可含有由不连续面分割而成的任意形状的子单元,每个子单元各有一组用于插值的映射节点水头。子单元的水头势、流速由相应映射节点水头计算得到,而复合单元中不连续面上的水头势、流速则由其相邻的2个子单元的映射节点水头计算得到;(3)复合单元中映射子单元的节点水头求解过程与传统有限元法类似,不含不连续面的单元自动退化为常规有限单元,因而复合单元法计算程序可以方便地与传统有限元分析程序融合。简单模型算例验证了该算法的正确性,而重力坝算例则表明该算法的有效性和在前处理上的优越性。

基于复合单元法的含层面碾压混凝土坝温度场研究

基于复合单元法的基本原理和不稳定温度场的隐式解法,推导了含有层面的混凝土温度场分析复合单元法控制方程。该算法可以离散模拟碾压混凝土坝中的层面,又避免了剖分层面网格的繁琐的前处理。除此之外,该算法还能整合到传统的有限单元分析程序中,如果某单元不含层面时,它将自动退化为传统的有限单元。基于该算法,建立了老挝南俄5碾压混凝土重力拱坝三维复合单元模型,进行了三维瞬态温度场仿真计算,计算值与监测值在规律和量值上吻合较好。研究结果表明该算法的合理性和在工程应用中具有实用性。

复合单元法在变截面梁自由振动分析中的应用

对复合单元法理论进行简单介绍,利用该方法获得了多阶梯变截面梁和渐变截面梁的有限元动力分析方程。在此基础上通过求解广义特征值问题得到了梁的前几阶固有频率振型。在划分不同单元数目的情况下,对利用复合单元法(CEM)和有限单元法(FEM)以及其他理论方法所得的固有频率进行比较,进一步结合软件ANSYS求解的结果进行比较。数值仿真结果表明:复合单元法具有计算量小、计算精度高的优点。因此,在结构动力分析中有一定应用前景。

加锚节理岩体的复合单元法研究

加锚节理岩体有着复杂的细部结构和力学行为,常规的数值模型很难满足模拟这种力学行为的要求。进一步发展了笔者建立的加锚岩体的复合单元法,提出加锚节理岩体的复合单元法研究。在不考虑锚杆、节理等细部结构的情况下划分网格,分别定义了加锚岩体复合单元、不连续岩体复合单元和加锚节理岩体复合单元,并建立了其数值模型。同时,在复合单元中还定义了不同材料介质的子单元用来模拟加锚节理岩体内复杂的细部构造。对加锚节理复合单元法进行了理论推导和算例研究,通过与常规有限单元法计算结果的比较,表明了加锚节理岩体复合单元法的合理性,同时也突出体现了其前处理简便的优势。

预应力锚索内锚段复合单元模型研究

针对预应力锚索内锚段模拟存在的困难,提出用复合单元模型来研究内锚段,为解决这一问题提供了一种新思路。该模型最突出的优点是既可以反映钢绞线、砂浆和接触面等细部结构,又可以简化网格。为检验其正确性,进行了有限元精细化模拟,将钢绞线、砂浆、接触面等细部结构精细离散。结果显示,内锚段轴向位移和应力沿钢绞线方向由外到里呈指数衰减,一般内锚段不是越长越好,3～5 m左右较为合适,这与现场监测规律相吻合。算例验证了这种方法是合理和有效的。

加锚岩体的阶谱复合单元法研究

加锚岩体有着复杂的非线性的变形模式,常规的线性基函数不能满足成模拟这种非线性的要求,若进一步细分网格,又会增加前处理的工作。引入阶谱技术,建立阶谱复合单元法,其基本思想是在复合单元中增加虚节点,扩大容许函数容量,通过使用阶谱基函数,提高计算精度。在广义节点下分析复合单元,使用阶谱复合单元法模拟加锚岩体,随着升阶,能够从物理本质上更好的拟合加锚岩体复杂的力学性质;在粗糙单元网格下逼近真实值,减轻网格的束缚。对阶谱复合单元法进行理论推导和实例研究,通过与有限单元法和复合单元法计算结果的比较,发现在较粗糙计算网格情况下随着升阶,阶谱复合单元法计算结果有明显的改善。

改进的有自由面非稳定渗流分析复合单元渗透矩阵调整法

应用连续的罚函数,提出了一种改进的自由面边界条件渗流分析复合单元渗透矩阵调整法,优化了此类算法的稳定性,提高了收敛速度和精度,并将此改进算法编制成相应的有限元分析程序,应用于上海地铁4号线董家渡隧道修复基坑降水工程的优化设计,解决了基坑降水过程中复杂三维渗流场的高效精细模拟问题,同时预测了基坑中心水位降至地面以下40 m,位于承压含水层顶面以下,基坑内外自由面落差很大时基坑周边渗流场以及地面沉降的分布特征。