考虑变形模量劣化的应变软化模型在FLAC^(3D)中的开发与验证

FLAC3D软件中的应变软化本构模型是通过抗剪强度参数劣化来实现的,没有考虑变形模量劣化造成的影响。针对这一问题,采用了变形模量劣化的损伤本构模型,详细推导了劣化损伤本构模型的差分格式,研究该模型在FLAC3D中二次开发的流程,在VC++环境下实现了劣化损伤本构模型在FLAC3D中的二次开发;通过与深埋圆形洞室应变软化数值解算例对比,进一步验证了该模型弹塑性和损伤的力学性质,分析了变形模量劣化对围岩变形特性的影响。由于该模型能够反映围岩的劣化损伤特性和大变形特点,因此在工程应用中有一定的实用价值。

基于Civil 3D的弃渣场二三维一体化设计平台研究

为了弥补BIM建模软件Autodesk Civil 3D在水土保持工程设计中的局限性,解决传统弃渣场设计工作无专业辅助设计软件、信息化水平低、二三维设计转换困难等问题,利用C#语言、Winform界面开发、Civil 3D API及部件编辑器、MVC架构模式对Civil 3D平台进行二次开发。通过分析弃渣场各设计步骤的业务流程,研发了适用于水土保持工程弃渣场设计的专业平台,实现了容渣量分析、稳定性计算、以数据驱动为核心的快速建模与出图算量等功能,并应用于引洮供水二期(骨干)工程多个弃渣场的施工图设计中。结果表明:该平台将工程设计规范与带有步骤引导的可视化操作界面相关联,在弥补弃渣场设计无专业辅助软件的同时,极大地提高了设计效率和设计质量,有效地推动了弃渣场设计从二维向三维转换。

充填体的分数阶微积分蠕变本构模型及其在FLAC^(3D)中的开发应用

为了更加准确地评估分析充填采矿法中实际矿山充填体矿柱的稳定性,通过在广义开尔文体中引入分数阶黏性元件来模拟胶结充填体蠕变过程,根据试验数据对所得蠕变本构方程利用爬山算法和全局优化法相结合的方式进行参数辨识,并将得到的蠕变本构方程开发进岩土数值分析软件FLAC^(3D)中进行数值计算。计算结果表明,改进后的分数阶蠕变本构方程很好地拟合了试验数据,证明了改进模型及其计算程序的正确性。该成果对矿山矿柱充填及稳定分析具有实际指导意义。

黏弹塑性BK-MC锚固模型二次开发及工程应用

黏弹性Bolt-Kelvin(简称B-K)锚固模型具有较高的计算效率,但由于无法描述岩体进入塑性阶段的力学行为特性,使得该流变模型的采矿工程应用范围受到一定的限制,为此引入修正Mohr-Coulomb(简称M-C)屈服准则对B-K锚固流变模型进行改进。首先推导了黏弹塑性BK-MC锚固模型的有限差分增量迭代计算格式;然后基于FLAC3D中UDM接口程序,采用VC++语言编写了相应的计算流程,使用Microsoft Visual Studio 2010编译态链接库DLL进行加载和调用;最后通过单轴压缩试验对开发BK-MC模型进行了数值模拟验证,并应用于口孜东矿深部巷道围岩稳定性预测分析中。结果表明,模拟计算得到的巷道表面位移演化过程与现场实测结果的规律性更趋于一致,进一步验证了新模型的正确性和适用性。研究采矿工程的流变问题时,考虑岩体进入塑性阶段的力学行为特性十分必要。

基于Civil 3D的铁路隧道弃渣场三维设计软件研究

近年来,三维设计和BIM技术得到了长足发展和应用,而铁路隧道弃渣场设计既有工作模式还停留在人工计算、绘图、AutoCAD基本命令出图的状况。为解决这一相对落后的现状,在深入研究弃渣场设计工程和计算理论的基础上,通过识别二维等高线平面地形图,建立三维数字地形模型,开展弃渣场三维设计,采用曲面法、横断面法计算容渣量;利用AutoCAD Civil 3D部件编辑器Subassembly Composer参数化自定义挡渣坝基本部件模型,实现了快速建模;利用Civil 3D装配方式完成挡渣坝三维设计,进行挡渣坝稳定性计算;基于AutoCAD Civil 3D平台进行二次开发,研发了“铁路隧道弃渣场三维辅助设计软件”,并已在多个铁路隧道项目弃渣场设计中成功应用。本软件为提高铁路隧道弃渣场设计效率和设计质量提供了一种新的方法。

基于各向异性本构模型的隧道支护控制

为了采用传统的力学模型来描述各向异性条件下隧道的受力特征与变形分布规律,作者基于空间滑动面理论的各向异性弹塑性本构模型,通过C++编程形成动态链接库dll文件,进行了FLAC3D各向异性弹塑性本构关系的二次开发.模拟分析结果表明,在各向异性条件下,隧道锚杆受力呈非对称分布的状态,经破坏区锚杆加长后模拟分析,围岩塑性区明显减小,且锚杆受力趋向均匀.通过胶州湾隧道接线工程现场应用,基于各向异性本构关系的隧道关键区支护控制是可行的.

基于双曲线临界状态的改进剑桥模型及数值实现

针对传统剑桥模型不能很好反映重塑黏土力学及临界强度特性的缺陷,在试验研究的基础上,对其临界状态进行改进。不排水三轴试验发现,重塑黏土的临界状态线表现为双曲线的形态,因此,将双曲线临界状态与剑桥模型相结合,建立改进的剑桥模型,并在FLAC3D程序中进行二次开发。同时针对FLAC3D中对塑性因子算法较为繁琐的问题,引入牛顿–辛普森迭代法进行改进。最后,运用改进的剑桥模型对不同压实度土样进行三轴数值模拟试验。结果表明:改进的剑桥模型能较好地反映重塑土体的力学特性,改进后的算法计算精度较高,执行效率较好。

基于Z-P准则的煤巷围岩稳定性数值模拟研究

通过FLAC3D所提供的二次开发程序接口,利用VC++6.0程序语言编写了Z-P准则的计算程序,成功实现Z-P准则的FLAC3D二次开发。采用开发的Z-P准则和FLAC3D内置的M-C准则对木城涧煤矿二槽煤层锚固支护巷道进行数值模拟,并对巷道围岩的塑性破坏区、位移及应力分布规律进行对比分析。结果表明:Z-P准则计算的塑性破坏区、位移比M-C准则的计算结果偏小,应力比M-C准则偏大,但应力集中现象相对不明显,总体分布规律基本一致。将模拟结果与现场钻孔探测数据进行对比可知,Z-P准则计算的结果更接近现场实际。

FLAC^(3D)中锚杆剪切破断失效的实现及应用

为解决FLAC^(3D)中无法实现锚杆剪切破断失效的问题,基于PILE结构单元提出锚杆剪切破断判据Fs(i)≥Fsmax(i),采用Fish编程语言二次开发,建立PILE结构单元杆体修正力学模型,并嵌入到FLAC^(3D)主程序中。分别采用PILE单元杆体原模型和修正力学模型,进行杆体剪切实验和煤岩交界面滑移情况下的锚杆支护实验对比分析,结果表明:(1)修正模型杆体剪切荷载–位移曲线呈现出剪切破断失效的特性,达到了以剪力为判据的定量破断,且破断部位结构单元剪力和轴力在发生剪切破断后均突变为零,实现了FLAC^(3D)主程序中锚杆剪切破坏。(2)采用修正模型的锚杆支护方案中,煤岩交界面附近杆体发生剪切破断,且煤–底板交界面附近杆体破断先于煤—顶板交界面附近杆体;煤岩交界面最大滑移量比原模型大17.5 mm,结果更接近实际。(3)PILE修正单元剪切破断失效的实现扩展了FLAC^(3D)的应用范围。

基于各向异性弹塑性模型的软岩巷道变形研究

具有层状沉积效应的岩层呈现明显的各向异性特征,而传统各向同性力学模型不能准确描述巷道开挖非对称破坏现象。基于空间滑动面理论推导各向异性弹塑性模型,并采用C++编程形成动态链接库dll文件,实现在FLAC3D中基于空间滑动面的各向异性弹塑性模型二次开发。通过设计模拟方案验证了模型的可应用性。根据巷道开挖支护模拟分析,在各向异性条件下,锚杆受力呈现非对称分布的状态,经破坏区锚杆加长后模拟计算,围岩塑性区明显减小,且锚杆受力趋向均匀。根据现场应用反馈,基于各向异性分析的关键区锚杆支护是可行的。

基于点应力状态的金属材料变形行为研究

材料变形、断裂过程除了受到材料本身特性影响之外还与其应力状态密切相关。为研究点应力状态对材料变形行为的影响,首先通过对DEFORM-3D软件的二次开发,得到了应力状态参数中的应力三维度、罗德系数。其次通过DEFORM模拟几种常见塑性变形行为,观察其中某些关键点应力状态参数的变化,分析确定塑性变形过程中引起开裂的危险区域,并能为确定其开裂机制和开裂模式提供依据。

考虑损伤的软弱夹层剪切流变模型及程序实现

自然界中岩体破坏的主要形式是沿着滑面的剪切破坏,且主要表现为剪切流变损伤特征。根据软弱夹层不同剪切应力水平下的试验数据分析,引入可以表征其流变过程中参数损伤的变量D,提出了一个基于D的可以反映软弱夹层加速流变特性的黏弹塑性非线性流变模型,与伯格斯模型串联构成了一个能全面反映3个流变阶段的新的软弱夹层剪切流变损伤模型。基于FLAC3D使用C++语言对该流变损伤模型进行了二次开发,与室内流变试验进行了对比验证。结果表明:(1)每级剪应力下,其瞬时应变均较为接近,且经过相同时间的应力加载后,无论是稳定后的应变值还是加速阶段的应变值也均较为接近。(2)数值模拟试验中,当施加的剪切荷载未达到屈服应力时,其减速阶段历时较室内试验的历时短,即更快地达到稳定流变阶段;而当施加的剪切荷载超过屈服应力阈值时,其加速流变阶段位移变化速率大于室内试验的,且最终的位移比室内试验位移稍大。

齿轮轴承钢坯模锻过程晶粒尺寸演变模拟

齿轮轴承钢坯模锻过程中不同部位的形变参数变化极不均匀,晶粒尺寸演变规律复杂多变。通过Gleeble等温热压缩试验获得材料物性参数,利用YLJ再结晶模型对有限元软件DEFORM-3D进行二次开发,进而模拟出模锻过程中齿轮轴承钢坯的晶粒尺寸演变规律。研究发现:齿轮轴承钢坯晶粒尺寸在锻造期呈脉冲变化,不同部位的晶粒在再结晶期增长幅值不一样,底部边缘和中下部晶粒尺寸易粗化,中心和中上部晶粒尺寸比较小;将锻件心部和底部边缘的晶粒形貌和晶粒尺寸与模拟结果进行对比,模拟与实际结果对应良好。提出的晶粒演变模拟方法能很好预测模锻过程复杂的晶粒尺寸演变规律。