基于Goodman界面单元的加筋砂土变形破坏有限元数值分析

利用非线性弹塑性有限元,对无加筋砂土和采用光滑铜板的加筋砂土平面应变压缩试验结果进行从小变形到破坏的全过程数值解析。考虑到光滑铜板与砂土之间存在滑移,在有限元分析中采用Goodman连接单元作为界面单元。在有限元分析中还需考虑影响砂土变形强度的诸多特性,包括:(1)围压大小的相关性;(2)强度的各向异性;(3)峰值前应变硬化及峰值后应变软化的非线性特性;(4)剪胀性;(5)应变局部化及剪切带形成特性等。结果表明,利用建议的有限元方法得到的加筋砂土平面应变压缩的应变–应力关系与室内试验结果吻合较好,最大应力比和峰值前刚度非常接近试验结果;提出的有限元分析方法可以较准确地捕捉到砂土的剪切带发生、发展状况,合理地模拟加筋砂土的渐进性破坏特性以及加筋材和砂土之间的相互作用机制。

一类三维椭圆界面问题的虚单元计算

椭圆界面问题是一种常出现在力学、材料科学、生物化学等领域的数值模拟中的经典模型问题。该模型问题具有间断系数和不规则界面两大特点。采用虚单元方法求解三维椭圆界面问题,与传统有限元法相比,该方法更适用于一般的多面体网格,这使得网格的选取变得自由与多样。基于这种特点,给出虚单元法求解一类三维椭圆界面问题的计算公式,并使用3种不同的多面体网格完成数值实验。数值结果表明,虚单元方法应用于该问题是有效的。

一类二维椭圆界面问题的虚单元方法计算

针对一类椭圆界面问题,采用一种近年来新提出的虚单元方法进行求解。基于虚单元法适用于任意多边形网格的特点,将该方法应用于六种不同的多边形网格下,求解一类椭圆界面问题,并给出虚单元法的计算公式。数值结果表明,虚单元方法应用于椭圆界面问题是有效的。

多级界面约束下构型对储层非均质性控制作用——以川西沙溪庙组曲流河为例

【目的】川西坳陷侏罗系沙溪庙组油气资源潜力大,单砂体内部结构制约了优质储层预测,进而影响了该区天然气富集规律评价。研究区内河道砂体构型界面级次、构型单元及其组合尚不明确,不同级次构型界面约束下的构型单元及其组合如何控制储层非均质性尚缺乏相关认识。【方法】基于野外露头、岩心、测井以及分析测试等资料,在沉积相研究基础上,详细开展了川西沙溪庙组曲流河砂体构型类型及特征研究,探讨了多级界面约束下构型对储层非均质性控制作用。【结果与结论】研究区构型单元划分为边滩构型单元(H_(PB))、河道充填沉积构型单元(H_(CH))、决口扇构型单元(M_(CS))、天然堤构型单元(M_(CL))、废弃河道构型单元(M_(CA))和洪泛平原构型单元(M_(FM))6类,基于构型单元垂向叠置样式,结合垂向序列沉积特征,将构型单元组合划分为均一型组合(Type Ⅰ)、均一+复合型组合(Type Ⅱ)、复合型组合(Type Ⅲ)3大类。研究区中江—回龙地区整体Type I型组合相对最发育,且沙三段整体上Type Ⅰ型组合和Type Ⅱ型组合相对最发育,其储层非均质性相对较弱。基于上述砂体构型类型及特征研究、不同级次构型界面控制下的储层非均质性特征分析以及不同级次构型界面下构型对储层非均质性控制因素探讨,总结了3~5级界面约束下构型对储层非均质性的控制模式。其中5级构型界面控制下的储层平面非均质性受控于基准面上升和构造沉降;4级构型界面控制下的储层层间非均质性受控于地形坡度和侵蚀作用;3级构型界面控制下的储层层内非均质性受控于水动力条件、河道弯度、河道迁移程度、沉积载荷、流量及成岩作用。

湿陷性黄土中可回收锚杆锚-土界面抗剪强度随机森林模型

为推进湿陷性黄土地区基坑工程中可回收锚杆的工程应用,以土体含水率(w)、土体干密度(ρ_(d))和锚固体直径(d)作为试验影响因素,开展了湿陷性黄土的湿陷试验以及可回收锚杆微段单元体拉拔试验,获得了黄土湿陷系数(δ_(s))和锚-土界面剪应力-剪切位移曲线随试验影响因素(w、ρ_(d)和d)的变化规律。试验结果表明:湿陷系数随干密度的增大呈减小趋势,随含水率的增大呈减小趋势;锚-土界面峰值剪切强度则随干密度的增大呈增大趋势,随含水率的增大呈减小趋势;单元体试样边界效应与土样软硬程度有关。最后,基于随机森林算法,选取土体含水率、土体干密度、湿陷系数和锚固体直径4个影响因素作为输入变量,建立了湿陷性黄土中可回收锚杆锚-土界面峰值剪切强度预测模型,其训练集和测试集的可决系数(R^(2))分别为0.971、0.915,表明所建立预测模型效果较好。

基于黏聚力单元的煤岩复合体水力压裂裂纹扩展规律研究

为分析煤岩复合体中水力裂缝扩展路径及演化规律,从应力场、煤岩交界面强度以及煤层层理倾角出发,基于黏聚力单元法建立了煤岩复合体水力压裂模型,分析了不同工况下煤岩复合体水力裂缝扩展规律。研究结果表明:煤岩复合体水压裂缝在上覆岩层中起裂后,随着垂向与水平应力差的逐渐增大,水力压裂裂缝受应力场的控制作用越来越显著;煤岩交界面强度较小时,水力裂缝在交界面中难以形成水压聚集达到煤层的开裂条件,煤岩交界面强度较大时能够在煤岩交界面中扩展一定距离并完成憋压,当压力达到煤层开裂条件时水压裂缝穿越煤岩交界面并诱导煤层起裂扩展;在煤层层理倾角30°条件下水力裂缝沿主应力方向形成主裂缝并沿层理方向形成次生分支裂缝;在不同地质条件下,应力场、煤岩交界面和煤体层理对水力裂纹的控制作用不同,可结合三者对水力裂纹的控制作用使其形成复杂的裂纹网络结构。

Goodman接触面单元的修正与探讨

针对Goodman接触面单元的构造特征,提出了在单元法向加设刚连杆的修正方法,从物理方法上实现接触面单元与其他单元不会发生相互嵌入的现象。这一方法有效地克服了Goodman接触面单元有可能存在的两侧单元嵌入的缺陷,解决了单元应力误差难以控制的问题,详细探讨了修正Goodman接触面单元的有限元实现方法,使其在有限元计算中易于使用。

内聚力界面单元与复合材料的界面损伤分析

推导了一种基于内聚力模型无厚的界面单元，用来模拟复合材料纤维与基体之间的界面层．研究了纤维周期分布的复合材料受横向荷载时。

内聚力界面单元在胶接接头分层仿真中的应用

分层是胶接接头的主要破坏形式,而分层主要发生在胶层与被粘物的界面层上,因此,对胶接接头界面层的力学行为的分析是很有必要的。由于界面层厚度太小,用常规的有限元法或边界元法很难对其进行仿真,更加无法仿真胶接接头的分层损伤过程。针对上述情况,为提高接头结构承载力,采用零厚度的内聚力界面单元来仿真界面层,克服无法仿真界面层的困难,对胶接接头的分层损伤过程进行仿真,并与试验结果进行对比,验证方法的有效性。通过仿真分析结果与试验结果对比可知,仿真分析结果与试验结果吻合较好。因此,运用内聚界面单元仿真界面层方法是有效的,并为复杂胶接接头承载能力分析提供有力的依据。

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．

基于预插黏性界面单元的Koyna重力坝强震破坏过程分析

基于黏性裂缝模型理论,在实体单元中嵌入黏性界面单元(Cohesive Interface Elements),对Koyna重力坝的强震破坏过程进行了二维有限元模拟和分析,并与其它数值方法的结果进行了对比。结果表明,大坝的破坏开裂分布与Koyna大坝实际破坏情况及文献中的模型试验结果基本相符,说明黏性界面单元可以很好地模拟裂缝的断裂和扩展,验证了该方法的有效性。

基于小波变换的功率谱方法及其在沉积单元界面定量划分中的应用

常用的依据多尺度小波变换系数二维平面图及三维立体时频色谱图不同周期的振荡性特征所反映出的小波尺度值来划分地层不同尺度的沉积旋回界面的方法,在读数提取时存在误差并且不够直观。提出了一种基于小波变换的功率谱来提取反映层序级别尺度的方法。应用结果显示,该方法能够有效地定量划分不同级别沉积单元的界面。

基于预插黏性界面单元的混凝土细观拉伸断裂过程数值模拟

为确定预插黏性界面单元法模拟混凝土细观拉伸断裂的有效性和适用性,基于黏性裂缝模型理论,在实体单元中嵌入黏性界面单元(cohesive interface elements),对东江拱坝二级配混凝土试件单轴受拉的断裂过程进行数值模拟.按照试件的实际配比计算出各种粒径骨料的数目,采用Monte-Carlo法对混凝土骨料进行随机投放,生成试件的随机骨料模型,研究黏性界面单元的网格密度、骨料随机分布形式及界面单元的断裂参数对混凝土宏观力学性能及断裂模式的影响.结果表明:采用黏性界面单元可有效地模拟混凝土材料细观断裂破坏过程和宏观力学性能.

基于Cohesive单元法的弃置井水泥塞-套管界面胶结失效数值模拟

水泥塞-套管界面胶结失效对弃置井井筒完整性提出了严峻挑战。考虑地下流体与水泥塞的流固耦合作用,基于cohesive单元方法,建立水泥塞-套管-水泥环-地层系统三维有限元模型,模拟垂直井水泥塞-套管界面裂缝剥离过程,研究地应力对界面裂缝损伤演化的影响,并分析水平地应力、水泥塞力学参数及界面性质对裂缝剥离高度的影响。结果显示:水平地应力均匀时剥离裂缝沿着整个界面圆周延伸且高度相等,水平地应力非均匀时剥离裂缝倾向于沿着界面某一圆周角扩展且在最大水平地应力方向具有较大的高度;水泥塞弹性模量从30 GPa减小到1 GPa,裂缝剥离高度降低9.3 m,临界法向强度从0.25 MPa增大到2.0 MPa,裂缝剥离高度降低6.5 m,表明较低的弹性模量及较大的临界法向强度有利于减小水泥塞-套管界面胶结失效的风险;水泥塞泊松比从0.35减小到0.10,裂缝剥离高度仅降低2.0 m,临界剪切强度从0.5 MPa增加到4.0 MPa,裂缝剥离高度仅降低3.3 m,表明泊松比和临界剪切强度对界面胶结失效影响较小。建立的模型能够为水泥浆配方优选和井筒弃置工艺优化提供指导。

含超单元连接子结构的自由界面模态综合法

根据模态综合法中连接子结构的定义,认为连接子结构实际上是一种将全部界面坐标作为主自由度的超单元.在此基础上,分别利用静力变换和动力变换将连接子结构变换成超单元,推导了界面位移和界面力双协调条件下的自由界面模态综合法(超单元间接法).该法保留了自由界面法的可大大缩减系统自由度、精度高的优点,并且由于引入了超单元连接子结构,可合理近似集中阻尼,在局部非线性结构动力分析问题中亦具有广泛应用前景.最后,将超单元间接法应用于自动化码头桁架桥结构的固有频率和地震反应计算,将铅芯橡胶支座视为超单元连接子结构,分析了静力变换和动力变换超单元间接法的计算精度和效率,并得到了在铅芯橡胶支座不同配置形式下桁架桥的固有特性.

模拟火灾下组合构件内界面热流的三维热阻单元

目的开发模拟组合构件内钢与混凝土之间界面热流的三维热阻单元,研究界面热阻对火灾下组合构件内温度分布的影响.方法把通过界面的热流当做混凝土单元和钢单元的对流边界条件,分别推导出热流边界对有限元方程的贡献,然后把这些贡献组合到一起,形成热阻单元的导热单刚.结果推导出了三维热阻单元导热单刚的通用积分表达式,并给出了16节点长方体热阻单元、8节点长方体热阻单元、12节点五面体热阻单元以及6节点五面体热阻单元四种特殊热阻单元的导热单刚显式表达式,这些单元已经装配到作者开发的温度场分析软件TFIELD中.当热阻等于0.01时,界面两侧的温差达到30℃.考虑热阻的影响,可以更精确地计算出组合构件内的温度场.结论数值算例表明,笔者开发的热阻单元能够模拟界面热阻对组合构件内温度分布的影响.

用于界面局放研究的正交电场测试单元

界面缺陷引发的局部放电是导致界面击穿的主要原因之一,而电缆附件界面局放的引发、演变规律尚不明确。本研究首先仿真分析了实际电缆附件界面电场分布,并依据电场计算结果采用内置电极法设计制作了界面测试单元,最后对设计的界面单元进行局部放电引发试验。结果表明:该界面测试单元与实际电缆附件界面电场分布类似,使用该界面单元获得的局部放电发展规律与实际电缆附件的局部放电发展规律相同。该界面单元能够有效模拟实际电缆附件界面电场,同时避免了向测试界面内引入金属电极,可以用于电缆附件界面局部放电引发、演变规律等方面的研究。

基于预插粘性界面单元的全级配混凝土梁弯拉破坏模拟

为确定预插粘性界面单元法模拟全级配混凝土梁在弯拉荷载作用下断裂破坏过程的有效性和适用性,基于粘结裂缝模型的基本原理,在混凝土梁的中心区域采用Monte-Carlo法生成随机骨料模型,通过自编程序实现了砂浆单元间和界面处粘性界面单元的预插,对全级配细观混凝土梁的弯拉断裂破坏过程进行数值模拟,模拟结果与相关文献结果吻合良好。研究结果表明:预插粘性界面单元法能够有效地模拟细观混凝土材料的弯拉断裂破坏过程和宏观力学特性。

层合界面单元在混凝土细观数值分析中的应用

采用颗粒交叠区域的微步长迭代自动调整算法,在生成含任意凹凸形骨料颗粒的混凝土数值试件的基础上,为简化大规模运算的复杂度,提高分析效率,着重对混凝土细观数值分析中的单元力学模型及细观组分力学参数的确定,进行了较为细致的研究。对传统各细观组分单元的单一化材质假定进行了改进,引入了一种层合界面单元的分析形式,即在混凝土数值试件规则化映射网格的基础上,将骨料-基质交界过渡层看作规则化网格单元的内嵌结构进行统一分析,大幅减小了各细观组分单独网格划分的前处理压力。进而,分析了层合界面单元中不同材料组分比例及界面层厚度对界面单元力学性质的影响,并通过混凝土试件宏观表征强度的细观数值计算,验证了该界面单元力学模型良好的适用性。

共线界面裂纹问题的一个边界无单元法

借助于边界积分方程方法提出了一个适用于界面裂纹问题的无单元法.通过对不同情况界面共线裂纹问题的数值模拟,分析了界面裂纹之间的影响,算例证明该方法有效,且精度较高.