离散元-有限差分耦合法在铁路有砟道床研究中的应用

将离散元-有限差分耦合算法引入铁路有砟道床结构的力学分析中.通过激光扫描法建立了基于真实道砟颗粒外形的离散单元数值模型,以此对由碎石道砟所组成的散体道床进行精细化模拟;采用有限差分法对连续介质的轨枕及轨下路基基础进行仿真.通过在层间结构边界处设置虚拟耦合过渡层,并将力和位移作为媒介物理量于一个时间步内在两种程序之间进行交互迭代的方式实现了两种数值分析方法的动态耦合.在此基础上建立了轨枕-散体道床-路基的离散元-有限差分耦合数值模型.并通过现场实测结果验证了模型的正确性.

基于DEM-FDM耦合的普通铁路碎石道床-土质基床界面接触应力分析

引入离散元法(DEM)-有限差分法(FDM)耦合算法对普通铁路碎石道床-土质基床的界面应力进行分析。首先,基于激光扫描以及室内三轴试验,实现碎石道砟颗粒二维精细化离散元建模,并通过设置界面单元进行道砟与土两类不同介质层间速度与力的相互传递,实现离散元法与有限差分法耦合,建立了轨枕-碎石道床-连续土体耦合模型,并通过现场实测结果验证模型的合理性。在此基础上,计算列车通过时耦合模型中基床动应力分布特征,讨论轨枕-道床接触状态对其影响,并将计算结果与轨枕-道床-基床的整体有限元模型的计算结果进行对比。结果表明,轨枕-道床未完全密贴接触状态下,道床中力链呈离散型传递,反之,道床中力链呈向下扩散发展;两种接触状态下,基床表面应力分布差别显著,但是应力峰值接近。耦合模型得到的基床表面应力峰值显著高于有限元模型的计算结果;耦合模型中因道砟散体特性引起的基床表面局部应力集中,在路基中的影响深度约为道砟最大粒径(63 mm)的8倍,即近似基床表层深度。

随机轮轨力作用下基于2.5维离散支撑模型的轨道垂向振动分析

针对轨道随机不平顺引起的钢轨高频振动响应问题,建立2.5维有限元离散支撑轨道动力学实体模型。首先结合高速车辆模型建立耦合系统垂向振动模型,进而基于虚拟激励法得到由轨道不平顺引起的动态轮轨力功率谱;然后基于2.5维离散支撑轨道数值模型,将动态轮轨力功率谱作为激励,得到轨道系统的随机振动响应。通过与格林函数结果对比,验证了本文模型的正确性。结果表明:采用2.5维有限元法及荷载等效法可快速实现无限长离散支撑实体轨道模型全频域计算,可模型钢轨的横截面变形特征;以CRH3型高速动车为例,高于2800 Hz时轨道结构的横截面开始明显变形;低于50 Hz时四个轮对处的振动加速度功率谱密度差别显著;170~3000 Hz内垫板刚度对轨道结构振动加速度影响较大。

离散-连续多尺度桥域耦合动力分析方法

基于离散介质理论和连续介质理论,提出离散-连续多尺度动力耦合分析方法,不需要任何附加的过滤和阻尼就能有效地消除高频波的虚假反射。根据实际需求将计算模型划分为连续介质域和离散介质域,其中连续介质域采用有限差分网格模拟;离散介质域采用离散元颗粒模拟。为保证网格与颗粒两种不同介质之间的能量协调,引入拉格朗日乘子将离散元模型和有限差分模型之间的约束关系,通过能量势函数隐含到动力方程中,推导出多尺度域的动力控制方程。基于动力显式算法求解所建立的离散-连续多尺度动力耦合体系,在通用的离散元(PFC)和有限差分法(FLAC)软件中二次开发编制计算程序,从而实现离散-连续多尺度动力耦合算法。通过算例验证,计算结果与分别采用离散元和有限差分法所得结果一致,说明了该多尺度方法可以有效地消除高频波在离散-连续介质界面上的虚假反射现象。

FDM-DEM耦合分析刚性桩复合地基褥垫层特性

针对单独采用连续体法或离散元法分析桩体复合地基褥垫层的不足,以单桩模型试验为背景,采用有限差分法(FDM)模拟桩体和桩间土,采用离散单元法(DEM)模拟褥垫层,对刚性桩复合地基建立耦合计算模型,并对该模型各加载阶段的桩顶刺入量、褥垫层的受力特性和变形特性进行了分析.结果表明:当上部荷载较大时桩顶边缘出现沿竖向的滑裂带,褥垫层的调整均化作用是通过桩顶附近的颗粒从桩顶高应力区向低应力区流动实现的.

冲击荷载作用的离散-连续耦合数值模拟

强夯、冲击碾压工法广泛应用于水库堤坝、港口等水利工程。目前,冲击荷载作用下,复杂的动力响应研究主要依据室内模型试验和工程经验,数值模拟研究较少。本文结合离散单元法和有限差分法的优点,建立了冲击荷载作用的离散-连续耦合数值模型。冲击荷载作用中心区域采用PFC2D中的滞回阻尼模型进行精细模拟,周围区域采用FLAC2D中的摩尔-库伦模型进行模拟。在离散模型中,得到离散颗粒作用于边界墙的合力与合弯矩,根据力的平衡原理,分配到连续模型边界节点上,同时考虑到耦合边界不能承受拉应力,进行二次调整,实现边界面应力的传递;并通过接收连续模型中边界节点的速度,来指定离散模型中边界墙的速度,实现边界面速度的传递。对比模型试验结果验证了冲击荷载耦合模拟的可行性,为今后堤坝、码头堆场等加固处理及动力稳定性分析提供一种新的研究手段。

多级水力压裂应力阴影效应的数值分析

多级水力压裂作为储层改造的主要技术手段,广泛用于提高致密油气藏的气体产量。裂缝在扩展过程中的应力阴影效应对于有效连通储层的天然裂缝并形成有利于油、气体流动的复杂裂缝网络至关重要。本研究采用了自适应的有限元-离散元方法,通过改进网格自动细化和识别多个裂缝扩展模拟含天然裂缝储层的多级水力压裂。数值模型中考虑了水力裂缝、天然裂缝和微观孔隙结构的相互作用,整合了非线性的Carter滤失模型来描述多级压裂过程中压裂液的滤失效应。引入了理想平行板流的支撑剂运输方程,并采用了达西定律来分析裂缝网络中的流体渗透效应。通过比较无裂缝均质模型和天然裂缝模型的裂缝网络和流体流动,评估了天然裂缝对多级压裂裂缝行为和气体产量的影响。研究为确定和优化致密气藏中压裂簇间距提供了一种新的方法。

动静组合加载下锚固裂隙岩体的止裂与吸能机理

为研究锚杆对深部含裂隙岩体的锚固止裂效应,进行了不同冲击气压下的动静组合加载试验.基于优化的锚杆界面力学模型,建立了新型有限差分法-离散元法(FDM-DEM)耦合数值分离式霍普金森杆系统及锚杆模型.对裂隙岩体和锚固裂隙岩体的力学特性、能量耗散及破坏特征进行了研究,并从细观能量耗散角度阐述了锚杆在动荷载下对裂隙岩体的锚固机理.结果表明:裂隙岩体和锚固裂隙岩体的动态抗压强度随冲击气压的增大而增加,锚杆对裂隙岩体的锚固效应可提高动态抗压强度,减小裂隙岩体的冲击后破坏程度,锚固裂隙岩体能量吸收率变化规律趋同于完整岩体;从细观角度分析,锚杆加固使得裂隙岩体的摩擦滑移耗散能和破坏后碎块携带动能降低,整体吸收能量减少.

基于FDM-DEM耦合的盾构开挖面前方土体三维位移特性研究

盾构隧道施工本质上是在三维空间中利用机械实现动态掘进的过程。为了研究盾构施工对开挖面前方土体的位移影响,基于有限差分法(FDM)与离散单元法(DEM)开展了多组三维连续-离散耦合数值计算,并结合现场监测,提出相应的施工建议。首先,基于弹性力学的Mindlin解,综合考虑盾构顶推力、辐条式刀盘摩阻力和盾壳摩擦力对土体位移的共同作用;基于三维镜像法和球孔收缩问题推导了地层损失引起的三维土体位移场表达式,建立了开挖面前方土体三维位移完整解析公式;其次,为了同时满足工程分析尺度和反映土体细观力学特性需要,引入新版连续-离散耦合技术。依托工程实例,通过三维单剪模拟试验与室内直剪试验对离散域内的颗粒细观参数进行验证。最后,基于三维位移解析解和连续-离散耦合模型分析了开挖面前方土体位移特性及不同盾构顶推力、刀盘转速和推进速度下的三维土体位移特征。结果表明:三维位移解析解和连续-离散耦合的计算结果均与实测值匹配程度较好;在盾构掘进过程中,地表沉降量逐步增大,盾构开挖面通过后沉降量得到暂时控制;顶推力过大容易使开挖面前方H/4~5H/4范围内地表出现局部隆起现象;刀盘转速的提高会加大地表沉降量,使沉降槽的非对称性更加显著;同一地层中保持单位出土量不变时,盾构推进速度会影响前方土体沿隧道掘进方向和水平侧向的位移量;开挖面前方土体与盾尾后方土体在水平侧向上具有相反的位移趋势,工程中可根据前方土体位移特性动态调整盾尾注浆量。所提三维位移解析解与耦合计算方法可为预测盾构开挖面前方土体位移提供重要参考。

岩石破碎过程可视化数值模拟

采用有限元与离散元耦合数值方法开展岩石破碎过程可视化数值模拟。通过对巴西圆盘实验的数值计算,再现了岩石的破坏机理和破坏模式以及岩石裂缝萌生、裂缝扩展以及完全破坏的全过程。分析结果验证了这种数值方法分析岩石变形与破坏过程的可行性。