基于连续-非连续单元法复合岩土体穿层预应力锚杆受力分析

边坡工程施工过程中,采用预应力锚杆施加预紧力可约束岩土体开挖后应力重分布作用产生的过大变形,增强岩土体自身强度。针对某边坡工程中预应力锚杆穿过多层岩土体的荷载传递及锚固承载特征问题,基于连续-非连续单元法(continuum discontinuum element method,CDEM)数值模拟方法,考虑复合岩土体中岩土层理结构面之间的非连续以及块体-杆件耦合计算问题,建立二维边坡复合岩土体桩锚结构数值模型,揭示复合岩土体中穿层预应力锚杆的受力特征。研究结果表明:岩土层与锚固体极限粘结强度标准值越大,产生的轴应变越小,轴力传递效应越弱,锚杆轴力衰减率越高;张拉第二、三根锚杆时,其杆体作用在张拉第一根锚杆之后岩土层自平衡后的应力场内,岩土体结构面产生的错动以及剪切蠕变导致预应力快速损失,其损失率比第一根锚杆大3%~4%;该边坡工程中锚固角度在25°左右最优,既能控制水平向受力,也能防止坡顶沉降,桩锚结构整体稳定性较好。耦合复合岩土体建模-桩锚结构承载-参数优化,深入研究复合岩土体中穿层预应力锚杆受力及其参数影响规律,研究结果将指导复合岩土体中桩锚结构设计与施工。

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。

基于有限单元法的平纹织物复合材料强度预测:1.RVE的有限元模型

为更准确预测平纹织物复合材料的强度,基于平纹织物层合板内纱线的细观分布,建立具有双凸结构的特征体积单元RVE(representative volume element)有限元模型。模型内纱线浸渍体为弹性体,物性值随纱线走向变化,树脂为塑性体。利用有限元分析软件ANSYS,使用20节点solid单元分别对纱线、树脂进行离散,通过数值分析计算复合材料模量,并根据复合材料内纤维与基体的失效准则预测单胞强度。结果表明:通过有限元模拟得到的弹性模量值同理论计算值及实测值均一致,且预测的单胞强度同复合材料实际强度相吻合;RVE有限元模型支持参数化建模,对平纹织物复合材料的强度预测有很好的应用价值。

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。

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。

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。

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。

用杂交法改善应力解的新型复合材料层合板单元

本文给出一种基于一阶剪切变形理论(FSDT)新型的、无闭锁的位移型四边形复合材料层合板单元TMQ20的列式;并根据Hellinger-Reissner变分原理,针对位移型复合材料板单元提出了一种新型应力杂交化后处理方法来改善单元计算应力的能力,使位移型单元可以简单和正确地预测层合板的应力,特别是层间横向剪应力的解。数值算例表明,经过改善的TMQ20单元具有位移型和杂交型有限元的双重优点,它不仅自由度少,列式简单,而且对位移和应力都可以得到高精度的结果,适用于从薄到中等厚度的复合材料层合板的计算。本文所提出的杂交化后处理方法的概念适用于改善任何种类的位移型单元的应力解。

用界面单元法分析复合材料界面力学性能

本文利用界面单元的固有特性，将其用来模拟复合材料中纤维与基体之间的界面特征，计算了一个沿Ｘ轴方向纤维周期排列的单尾板，在横向载荷作用下的应力分布问题．给出了三相（纤维、基体和界面）特性各种配比时应力分布等高线图以及通过界面时径向应力σｒ的变化情况，反映了界面特性对应力分布的影响．

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。

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。

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。

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。

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。

地下工程渗流断层数值模拟的隐式复合材料单元法研究

结合地下工程渗流场三维有限元分析复杂性的实际,对断层的处理进行积极探讨。在拟连续介质模型的基础上,充分利用有限元法的特点,首次提出用隐式复合材料单元法对主要断层进行模拟。算例验证了该法的正确性和实用性。

基于有限单元法的平纹织物复合材料强度预测:2.复合材料层合板拉伸过程的有限元分析

针对实际使用中平纹织物复合材料铺层角度问题,将0°/45°/90°/-45°铺层的层合板作为有限元分析对象,研究其犬骨试验件在单向拉伸作用下的响应。分析过程中,将试样视作宏观均匀的弹性材料,利用已得出的平纹织物复合材料的物性值,以8节点块单元对模型进行离散,通过分步施加载荷,得到复合材料的应力与应变曲线。与实测值作对比发现,仿真结果同实测结果相吻合。将节点反力作为复合材料单胞模型的边界条件,对复合材料进行失效预测。结果表明:角度铺层设计可以减弱细观结构的开裂和分层;且在承受相同的拉伸应力下,铺层复合材料单胞内树脂单元失效的数量少,因此具有更高的强度。

节理岩体的三维阶谱复合单元法初步研究

阐述了节理岩体复合单元法基本原理,引入了阶谱有限单元法中的虚节点和广义节点概念,提出了覆盖虚棱(面)和广义棱(面)的概念,并进一步将虚节点和广义节点分类。在此基础上构造了节理岩体的三维复合单元不同阶次时的位移函数并推导了对应的刚度矩阵。算例表明此法是合理有效的。提出的概念有助于复合单元法和传统有限单元法二者升阶谱的理解与统一实现,并为实现节理岩体三维复合单元法的P型自适应奠定了基础。

渗流分析中排水孔和不连续面模拟的复合单元法

基于变分原理,研究渗流分析中模拟排水孔和不连续面的复合单元法。该方法将不连续面隐含于复合单元之中,并根据其切割情况将该岩体单元划分为若干个岩块子单元,同时视排水孔为强渗透介质,并将其作为“空气子单元”置于复合单元内部,但排水孔和不连续面无需在计算网格中绘出。复合单元法可以方便地处理排水孔穿越不连续面的情形,并且计算网格可以不受不连续面和排水孔的数量和位置的影响。如果计算域中不含排水孔和不连续面,复合单元法将自动退化为常规的有限单元法。该方法可以降低网格剖分的难度,提高计算效率,算例分析表明该方法是有效和可靠的。

复合单元法动力分析初步研究

复合单元法是一种适用于不连续介质结构分析的数值计算方法,优点是建立网格时不用考虑结构中不连续面,计算时能离散模拟不连续面。在复合单元法静力计算模型的基础上,提出了复合单元的动力分析方法。给出了复合单元动力分析的质量矩阵和阻尼矩阵的具体表达式,通过质量矩阵、刚度矩阵和阻尼矩阵将分布于复合单元内部的惯性力和阻尼力分别转移到复合单元的广义节点上。建立了惯性力、阻尼力、动力荷载及弹性力作用下的复合单元动力系统的控制方程组。以一个基岩内含有两条断层的混凝土重力坝模型地震为例,采用复合单元法动力分析程序进行计算,其结果与有限单元法解吻合得较好,说明所提出方法的正确性和有效性。

无压渗流分析的复合单元法

针对无压渗流问题,在传导矩阵调整法的基础上,对穿越自由面的单元用复合单元来处理,每个复合单元具有两套结点水头,一套用于饱和区的水头插值;另一套则用于无水区。通过变分原理,推出了控制方程并在程序中实现。应用复合单元法可以较好地解决自由面的插值问题,消除了穿过自由面单元的水上部分对自由面附近结点水头的贡献,同时对逸出面边界条件的处理也更加方便和准确。算例表明了该方法的有效性。