基于粘结单元法的干热岩储层水力压裂数值模拟与参数优化

水力压裂技术是实现低渗油气及地热储层的高效开发利用的关键技术手段,为了研究干热岩型地热储层水力压裂过程中水力裂缝的扩展规律,本文使用粘结单元法(Cohesive Zone Method,CZM)研究了压裂液排量、压裂液粘度以及水平地应力差对水力裂缝形态的影响,并利用正交试验对上述压裂工艺参数的组合进行优化。结果表明:压裂液排量对水力裂缝的长度具有重要影响,而压裂液的粘度对水力裂缝的宽度具有显著影响;压裂液的排量和粘度的增加,促进了分支裂缝的萌生和扩展;水平地应力差为1 MPa时,本文所建立的模型在压裂液排量和粘度分别取0.004 m3/s和0.07 Pa·s条件下,可获得最佳的压裂改造效果;随着压裂液的排量和粘度的持续增加,当压裂液的排量和粘度分别超过0.004 m3/s和0.07 Pa·s后,继续增加压裂液的排量和粘度将导致水力裂缝的长度和宽度的减小,可见在实际压裂过程中不能盲目通过提高压裂液的排量和粘度的方式实现对压裂效果的持续改进。本文丰富了干热岩储层改造的数值模拟手段,相关研究成果有望为干热岩型地热资源开采过程中裂缝扩展行为预测和压裂工艺参数的优化提供技术支撑。

基于粘结单元的空心钢管桩沉桩过程数值模拟

随着技术的发展,钢管桩在大型海洋工程结构中的应用越来越广泛。利用ABAQUS有限元软件模拟实际施工过程中空心管桩与土壤之间的相互作用,并利用粘结单元来模拟土的开裂和挤压行为,通过将模拟结果与实际施工过程进行比较,验证了模拟模型的可行性。

钢管与核心混凝土之间的粘结单元及其应用

为了研究钢管混凝土拱桥钢管与核心混凝土之间的粘结性能,将双弹簧单元和四边形滑移单元用于模拟钢管与核心混凝土之间的粘结,对两种单元刚度矩阵中各非线性刚度系数的取值进行了讨论,应用两种粘结单元考虑材料非线性编制了有限元计算程序。以茅草街大桥为例用自编程序进行了分析计算,结果表明:在自重和车辆荷载作用下钢管与混凝土之间不会发生脱粘,钢管与核心混凝土之间基本没有相对滑移;在温度影响和收缩徐变作用下如果钢管与混凝土之间发生了脱粘,则在自重和车辆荷载作用下钢管与核心混凝土之间的相对滑移明显增大,整桥刚度降低,钢管最大应力增加,混凝土最大应力减小。

粘结单元在模拟FRP层合板低速冲击响应中的应用

纤维增强树脂基复合材料层合板(fibre reinforced plastic composites,FRP)在航空、航天、交通、造船等诸多工程中得到了日益广泛的应用,而其在冲击载荷下的响应和破坏特别是分层一直为学术界所关注。本文中对FRP层合板在冲击载荷下的响应和破坏进行数值模拟,并通过引入粘结层重点研究其分层破坏。首先,介绍一种基于改进的粘结区域方法的粘结层损伤模型;其次,详细介绍了有限元模型建模过程和建模细节;最后,对有限元模型进行验证,并分析分层损伤发生的原因。模拟结果表明,该模型不仅能准确预测FRP层合板在低速冲击载荷下的载荷-时间曲线和载荷-位移曲线,还能成功地预测其分层破坏。

考虑粘结面厚度的局部粘结单元法

传统无厚度粘结单元法CFEM(Cohesive finite element method)在模拟脆性材料断裂方面具有很强的优势,但也存在很大问题。一是单元尺寸增大,收敛性变差;二是单元尺寸变小,模型刚度发生折减。为了克服这两个问题,发展了考虑厚度的局部粘结单元法,即在裂纹可能扩展区插入具有一定厚度的粘结面单元。粘结面单元采用拓展虚内键本构(Augmented virtual internal bond)描述。由于考虑了厚度,粘结面交叉处会形成多边形空缺。为了弥补这一空缺,将其看作多边形键元胞,采用离散虚内键模型(Discretized virtual internal bond)对其建模,保证了模型的几何完整性。模拟结果表明,本文方法有效,克服了传统CFEM方法的刚度折减问题,提高了计算稳定性和收敛性。

ABAQUS的粘结单元在结构模态分析中的应用

示范快堆的中间热交换器为防止温度分布不均引起的过大热应力,在结构设计方面多处采用摩擦层、搭接的结构形式,利用ABAQUS进行模态分析时,这种结构形式常用Concat(接触),但模态分析中对于非线性问题均看作是线性问题,把接触看做Tie绑定,进而地震分析也看成Tie绑定,这与实际结构形式是不相符的。将粘结单元引入到结构连接中,解决结构间的连接问题,同时计算粘结单元的刚度。此工作为后续中间热交换器的整体力学分析提供了技术支撑。

纤维与混凝土粘结的界面力学性能研究

纤维与混凝土之间的粘结直接影响纤维对混凝土的增强、增韧和阻裂效果。分析纤维与混凝土界面破坏的过程,提出几种简化的粘结—滑移模型,采用弹簧粘结单元模拟纤维与混凝土之间的粘结—滑移过程,讨论模型参数的确定方法,将模型的计算结果与试验结果进行对比,检验简化模型的合理性。

界面粘结质量对钢筋混凝土修补梁工作性能的影响

众所周知 ,界面粘结性能是钢筋混凝土结构修补成败的关键。采用非线性有限元方法 ,并发展了一种能反映界面粘结质量和力学特征的界面单元 ,对钢筋混凝土修补梁进行了系统的数值模拟 ,得到了十分有益的结果。经与试验结果比较 。

基于粘结裂缝模型的混凝土细观力学特性模拟

混凝土细观力学特性的数值模拟,很大程度上取决于骨料模型和混凝土裂缝模型的选择是否合理、有效。为此,首先利用块体切割法生成混凝土随机多边形骨料模型;然后对骨料模型划分网格,并通过粘结单元嵌入算法实现了砂浆之间、骨料与砂浆单元间零厚度粘结单元的插入;最后利用Abaqus软件进行了混凝土试件的单轴拉伸数值模拟。结果表明,模拟得到的混凝土抗拉强度值与试验值吻合较好,可见该方法能较好地研究混凝土的力学性能。

正弦衰减荷载下锚杆支护粘结体塑性演化模型

针对锚杆与围岩之间的粘结单元,给出特定的正弦衰减循环荷载函数,引入损伤变量,推导出粘结单元累积塑性切应变随荷载循环次数的演化模型.在锚杆端部施加正弦衰减荷载,通过测量锚杆轴向不同深度轴向应力,计算粘结部位平均剪应力分布情况,并以此计算锚杆端部位移随荷载循环次数的变化规律,拟合出粘结体累积塑性演化模型中的具体参数.采用Ansys有限元分析软件模拟多个荷载周期下的锚杆位移值,并与理论值进行对比.研究表明:正弦衰减循环荷载下粘结体累积塑性切应变由初始荷载和振幅荷载累加产生,且加载频率只影响初始荷载产生的应变部分,试验结果拟合出的理论表达式与数值模拟结果基本一致,反映了粘结体切向累积塑性应变随循环次数先快后慢最终急剧增加的变化规律.

基于粘结界面模型的三维裂纹扩展研究

根据界面断裂的特点,将粘结界面模型应用于有限元,采用非线性显式动力学算法,编写粘结-体积单元计算程序.其中体积和粘结单元分别采用四面体和三棱柱单元;粘结单元本构关系选择双线性内聚力-位移曲线,避免了界面完全断裂后发生穿透;以界面相对位移的形式定义线性损伤准则;以Benzeggagh-Kenane模式的扩展准则确定界面失效位移;以Turon模式的初始损伤准则确定界面启裂位移.该程序能够实现混合加载模式下材料界面断裂问题的三维数值模拟.用所编写的程序(CVFEM)分别对Ⅰ,Ⅱ,Ⅲ型裂纹扩展问题进行数值模拟,并且与Abaqus6.7计算结果进行对比.

钢筋混凝土粘结滑移研究现状

钢筋混凝土之间的粘结性能是两种材料组合在一起共同工作的基础,总结了国内外大量有关钢筋混凝土粘结滑移性能研究的文献,介绍了钢筋与混凝土粘结滑移性能研究中影响因素和滑移本构等问题,同时对粘结滑移性能的研究成果进行了分析。

钢纤维地聚物混凝土轴压性能细观数值模拟

为研究细观尺度下钢纤维地聚物混凝土(SFRGPC)的轴压性能,考虑骨料和钢纤维在混凝土基体内部的随机分布,建立钢纤维地聚物混凝土棱柱体的三维细观尺度数值模型。对不掺纤维与掺纤维2种工况下钢纤维地聚物混凝土的轴压性能进行模拟,验证该细观尺度数值模型的准确性。在此基础上,分析钢纤维地聚物混凝土的轴压破坏行为,进一步探究骨料最大粒径和纤维掺量对混凝土轴压受力性能的影响规律。结果表明,地聚物混凝土峰值应力随骨料最大粒径增加而降低;骨料最大粒径的增加会略微降低地聚物混凝土的韧性指数;由于纤维对混凝土裂缝的桥接作用,地聚物混凝土的峰值应力和韧性指数随纤维掺量增加均有所提高,且韧性指数的提高更为显著。

页岩气储层水力压裂裂纹扩展数值模拟

针对页岩气储层的层状结构致使其水力压裂裂纹扩展不同于常规油气储层问题,采用粘结单元模拟实际的层状储层界面特性的数值模拟方法,建立页岩气储层水力压裂力学模型和反映岩体层状界面的破坏开裂准则,进行层状岩体水力压裂三维数值模拟.得到了储层应力场、孔隙压、裂纹面的损伤和张开度分布以及裂纹扩展的时空变化规律.

纤维增强混凝土材料的界面剪应力分布研究

针对纤维与混凝土界面的破坏过程,提出了几种简化的粘结-滑移本构模型,以双线性局部粘结-滑移本构模型为基础,在受力平衡和变形协调的基本原理基础上,推导了纤维脱粘过程中界面剪应力的解析解.采用弹簧粘结单元,通过数值方法模拟了纤维与混凝土之间的粘结-滑移过程,给出了纤维与混凝土界面脱粘过程中界面剪应力的分布、变化情况.对解析解、有限元计算结果和试验结果之间的差异进行了对比分析,验证了简化模型的合理性和有效性.

开采保护层覆岩裂隙演化规律模拟

为提高瓦斯抽采率和揭示保护层采动覆岩裂隙演化规律以及定量分析保护层卸压增透范围,将覆岩裂隙定义为具有开裂损伤功能的粘结单元,利用ABAQUS开发了粘结单元本构关系,建立了采动覆岩砌体结构内聚力模型,进行了粘结单元表征下的保护层采动裂隙演化数值模拟,通过粘结单元损伤程度分析采动裂隙发育状态,根据裂纹的连通状态界定采场覆岩损伤破坏区域,并得到了采动卸压范围及渗透率分布规律,采动裂隙演化规律模拟结果与实验一致,验证了覆岩砌体结构内聚力模型的精准性.

玄武岩纤维筋连续配筋复合式路面荷载应力分析

运用ABAQUS有限元软件,建立了基于弹性地基双层板模型和裂缝模式下的玄武岩纤维筋连续配筋复合式路面荷载应力有限元模型,提出用粘结单元定义裂缝接触面的法向和切向接触本构行为,即用裂缝剪切刚度来模拟裂缝间的嵌锁作用。通过分析确定了不同裂缝间距下复合式路面的临界荷位——纵向自由边中部,并比较了BFRP筋和钢筋两种配筋条件下混凝土板应力随AC层厚度、CRC层厚度、筋位置、配筋率及裂缝剪切刚度的变化规律。计算结果表明,2种配筋条件下混凝土板应力值随参数变化规律相似,应力值基本相等,这为BFRP筋应用于CRC+AC复合式路面提供了理论依据。

体外预应力索滑移效应的有限元分析

体外预应力在桥梁工程中的应用逐步广泛起来。分析体外预应力混凝土梁桥的主要困难在于体外索与转向块之间的相对滑动。论文在修正Houde粘结滑移曲线的基础上,提出了采用非线性弹簧单元Combine39模拟体外索与混凝土之间的滑移,将普通钢筋均匀"涂抹"于混凝土中,使其与混凝土形成整体离散为实体单元,并将预应力筋离散为杆单元,用有限元法对体外预应力梁进行了体外索的滑移分析研究,得出了其在具体测点位置的滑移量。算例表明该方法计算结果与试验结果吻合较好。

XPS板外墙外保温系统温度效应的数值模拟

为研究XPS板保温材料在不同季节温度应力的变化情况,在典型外保温墙体温度场计算的基础上,采用傅里叶(Fourier)方程及能量守恒定律建立理论模型,选取XPS板外墙外保温系统三个施工方案进行数值模拟:方案1为30 mm胶粉聚苯颗粒贴砌XPS板;方案2为10 mm胶粉聚苯颗粒贴砌XPS板;方案3为外墙薄抹灰.对外墙外保温系统墙体各层材料的力学行为进行分析,结果表明:夏季墙体整体受到压应力,涂料饰面层一天中应力变化范围为-0.34^-0.02 MPa,易产生膨胀离鼓现象;冬季墙体整体为拉应力,变化范围大概为0.12~0.26 MPa,开裂的风险比较大;方案1温度梯度最小,保温效果最好,优于方案2和方案3.

预应力混凝土空间组合式滑移模型

考虑预应力钢筋和混凝土间的粘结滑移效应,结合组合式模型和分离式模型的优点,提出了一种预应力混凝土空间组合式滑移模型。通过预应力钢筋和混凝土单元交点处的虚拟结点,将模拟预应力钢筋和混凝土交界面的无厚度环形粘结单元嵌入组合单元中。粘结单元忽略预应力钢筋-混凝土间的径向相对位移,通过内、外表面的切向位移差值表征预应力钢筋的相对滑移量。基于位移有限元框架,根据预应力钢筋、混凝土、粘结单元各自的本构模型,由虚功原理推导出三者对组合单元刚度矩阵的贡献,建立了该空间组合式滑移模型的有限元平衡方程,并给出了有限元计算流程。在该模型中,预应力钢筋能以任意形式穿过混凝土单元而不需考虑其走向,网格划分灵活;对单个粘结单元而言,在平衡方程中缩减了2个虚拟结点的6个自由度,自由度数减少了8%。