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.

力-热耦合作用下煤岩动力学特性和破碎机理研究

为了安全高效地进军深部煤炭资源开采,开展深地“三高一扰动”环境下煤岩的动态力学特性和破碎机理研究,采用自主改进的∅50 mm高温同步分离式霍普金森压杆(SHPB)试验系统,对25~200℃温度下煤岩进行动态冲击试验研究,并改进ZWT粘弹性本构模型建立考虑温度效应的煤岩动态本构方程,基于有限差分-离散元数值模拟研究高温效应对煤岩裂纹发育规律及其动态强度的影响。研究表明:高温冲击作用下煤岩的动态应力应变曲线可划分为四个阶段:压密阶段、弹性阶段、裂纹增长阶段和软化失效阶段;随着温度的增加,煤岩的动态抗压强度和动态弹性模量劣化明显,失效应变呈现增加趋势,吸收能则呈现W型波动趋势;破碎粒径减小,分形维数则呈现明显的线性增加,抗压强度越低,破碎程度越高,破碎模式更为复杂;基于ZWT改进后的动态本构模型良好地表达高温冲击后的应力应变关系,但对压密阶段的表达不甚理想;模拟和试验结果显示煤岩在150℃高温后水成分和吸附气体活跃析出,煤基质受热膨胀破裂,出现明显细观裂纹,并逐渐发育为贯通裂纹,其中以剪切裂纹为主。煤岩在100℃下动态压缩的裂纹发育从受撞击面发育贯通,高温劣化煤岩强度。研究结论为“三高一扰动”深部复杂地况下煤炭资源安全高效开采提供基础理论支持。

基于颗粒单元接触的二维离散-连续耦合分析方法

结合离散单元法与有限差分法发展了离散–连续耦合分析方法。在中心区域采用离散元分析,其周围区域采用有限差分法分析。采用离散元中颗粒接触计算模型计算离散–连续交界面处的颗粒与单元相互接触作用,在连续单元中接触点速度按型函数对交界面处的节点速度进行插值,将与颗粒的接触力按权值函数分配到交界面节点上。通过PFC和FLAC的Socket I/O接口,实现二维离散–连续耦合分析,并通过对二维算例分析,表明了该耦合分析方法的有效性。

地下水流与河网水流的耦合模型

从河道水流一维不稳定流（扩展的圣维南方程组）有限差分的递代方程和地下水的有限元数值方法出发，通过河道四周地下水流与河道水流的交换流量把两个模型数值计算的矩阵方程从理论上耦合起来．理想水文流域系统的计算结果表明，模型的设计是合理的．

基于有限差分与离散元耦合的支挡结构数值计算方法

土体与支挡结构的变形与稳定是岩土工程界关注的一个重要问题。作为探讨,介绍了运用快速拉格朗日有限差分与颗粒离散单元外部耦合的方法,对处于系统中的不同部位,分别应用二维刚性颗粒离散单元与允许大应变的有限差分网格,模拟离散体与结构物的相互作用,连续域与非连续域的平滑过渡则通过计算过程中满足两域对应边界的相容条件与平衡条件实现。就耦合的实现途径进行了说明,并将其应用于衡重式挡墙与墙后填土相互作用的分析,对比计算结果与现场实测数据,证明采用的方法能较有效地再现土与支挡结构的力学变形规律。

注塑成形中流动与冷却的耦合分析

分析了传统模拟方法中温度边界条件的缺陷,提出了用耦合方法确定模具、熔体传热问题的边界条件。用有限元求解模具温度场、有限差分求解塑料熔体温度场,在界面上用超松弛方法更新边界温度,重新计算模具、塑件熔体的传热问题,直到收敛。保存脱模后模具温度状态并作为下一周期模拟的初始条件、边值条件。注塑成形中流动与冷却的耦合分析方法可以模拟瞬态、多周期及更复杂的传热问题。

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。

边界元法在气冷涡轮叶栅气热耦合计算中的应用

将边界元计算方法应用到三维N-S方程求解程序中,流体部分采用有限差分法求解N-S方程,边界元法求解固体区域热传导方程。开发气热耦合计算程序对NASA-MarkII高压气冷涡轮叶栅热环境进行气热耦合分析。利用边界元法特有的优势(降维、解析与离散相结合的特点),避免了固体区域的网格生成和内部节点求解工作,提高了计算精度。结果表明,耦合计算程序能够高效、准确求解多场的气热耦合问题,计算结果与实验结果吻合的较好,二者平均误差为3%。

双重介质系统液固耦合模型及其应用

在油气藏开发过程中,油气藏中孔隙—裂缝介质受渗流场和应力场的双重作用,这不是简单的线性叠加,而是彼此作用、相互影响,称为耦合作用。对双重介质而言,耦合作用可能导致油藏物性参数的变化,影响油气藏压力和流体的分布,因此有必要建立并利用液固耦合模型来模拟双重介质系统中流体的渗流特征。利用有效应力概念,可以建立双重介质渗流系统液固耦合的数学模型,并采用有限元方法,通过有限差分,获得数值解。通过实例模拟计算,获得了耦合效应对油气藏动态的影响:压力系数越高、储层物性越差,液固耦合效应越明显。但随着生产时间的延长,液固耦合效应对井底压力的综合影响会逐渐消失,并非所有的双重介质系统渗流都需要考虑液固耦合效应。

含碎石层沥青加铺结构外部耦合计算方法

碎石化沥青加铺路面结构中不同层位材料性质差异显著,难以由同一种力学模型加以描述。针对这一问题,将沥青加铺层及碎石化混凝土视为连续及非连续颗粒介质,分别采用有限差分法(DEM)与颗粒离散单元法(PCC)模拟沥青加铺层及碎石结构层的力学行为,并采用耦合的方式,通过两域对应边界的相容条件与平衡条件的控制,实现了连续域与离散域的平滑过渡。作为应用,结合现场情况,将破碎混凝土简化成碎粒层、碎石表层和碎石底层,通过模拟计算,分析了破碎粒径不同组合条件下沥青加铺层对荷载的响应。结果表明,碎粒层粒径越大,沥青层的拉应力、应变越大;碎石表层粒径越小,即多锤头破碎机(MHB)破碎的越碎,原水泥混凝土面板的强度下降的越多,整体性就越差,沥青层底的拉应力、应变也就越大,因此要将破碎状态控制在一定程度为宜。

高温下混凝土多相耦合模型数值求解

随着混凝土,特别是高性能混凝土(HPC)在工程中的推广和应用,建立其在不同自然和工程条件下的数学模型,模拟其中发生、发展的物理-化学现象与耦合过程,具有重要科学意义和经济效益。将混凝土材料模型化为非饱和多孔多相系统,基于含有多相流体的变形多孔介质的质量、动量和能量守恒方程,建立高温下混凝土热—湿—气—力学多相耦合数学模型。采用有限单元法进行空间数值离散、时域差分法进行迭代求解,为进一步实现高温下(低于孔隙水的临界温度647.3 K)混凝土的多相耦合行为模拟、分析其中的控制机理提供理论基础及可行性论证。

用加权有限差分－边界元耦合方法研究瞬态温度应力场问题

本文用加权有限差分－边界元耦合方法对瞬态温度应力场问题进行了研究，由于这种差分格式是无条件稳定的，合理选取加权因子值使计算在采用较大时间步长条件下仍可得到较精确的结果．文末计算了泵体的瞬态温度及其相应工作应力场（即内压和变温引起的应力场）．计算结果表明：采用该方法计算瞬态温度场，比有限元法未知量少，同时结果稳定，收敛性好，是一种简便有效的方法。

影响住宅低频隔声因素的研究

在考虑墙体共振和房间共振的基础上 ,应用有限元法对住宅的低频隔声问题进行研究 .对比实验表明 ,计算值和实验值相符 .并且 ,声源室与受声室的体积以及两房间是否对称 ,皆对房间的隔声有影响 .

基于嵌入式离散裂缝和扩展有限元的裂缝性页岩油藏流固耦合高效数值模拟方法

通过耦合嵌入式离散裂缝模型和扩展有限元建立了一种适用于裂缝性页岩油藏的流固耦合高效数值模拟方法。该方法创新性在于:通过对裂缝进行显式降维处理,可以准确刻画水力裂缝对渗流场和应力场的影响,同时可以模拟水力裂缝开度的动态变化过程以及水力裂缝内流体压力对裂缝变形的影响;在划分网格时仅需对基岩系统进行正交网格剖分,不必考虑裂缝的几何形态,渗流场和应力场均选取一套网格,使得网格划分时的复杂度大幅降低。对于渗流方程求解采取模拟有限差分方法,满足局部质量守恒并且可以有效处理全张量形式渗透率;对于岩石力学方程求解采取扩展有限元方法,可以准确处理裂缝两侧的位移间断性。通过算例分析,本文方法的正确性与优势得以验证。

通风及内热源参数的方腔内混合对流模拟

为考虑热源形态及通风条件对腔内流体流动及传热性能的影响,本文采用基于多参数弛豫时间模型格子Boltzmann法与有限差分法的耦合算法,对中心热源条件下开口方腔内的混合对流现象进行研究。在不同进、出流口位置和热源形状下,分析了混合对流的流动、温度及换热特性,并给出了流函数线和等温线分布以及热源表面的努赛尔数。数值计算结果明:当进、出流口的位置固定时,热源形状决定了局部对流换热强度,但对温度场的影响较小;平均努赛尔数随着圆角半径R的增大而增大,并在进、出流口分别位于中部和顶部时,取得最大值。

多孔介质在压力梯度作用下的热质耦合数值模拟

多孔介质干燥导致热质耦合传输过程。本文基于连续介质力学的宏观尺度,对多孔介质的热、湿和气三者耦合迁移进行数值模拟,研究压力梯度对热质传输的影响。多孔介质传质机理主要为水汽和空气的对流和扩散传输、吸附水在含湿量梯度作用下的自由扩散和其在温度梯度即Soret效应驱动下的流动。采用Galerkin加权余量的有限元方法,提出了温度、含湿量和气相压力在Dirichlet边界条件及混合边界条件下的三维耦合数值模型,并对介质受高温干燥条件进行了数值模拟。

大温差作用下寒区路面温度应力行为研究

为了了解在内蒙古寒区路面内部温度应力的变化,研究不同基层类型在寒区温度应力行为及结构性能,借助Abaqus软件,利用顺序耦合法获得路面在日温差为20℃,30℃,40℃的大温差环境下的温度应力,并分析不同基层路面在温度和动载耦合作用下的力学响应。结果表明:组合式基层路面在寒区大温差环境下路面力学性能最好,且在温度和动载耦合作用下仍然具有优势,各层温度应力均最小,且在低温和动载耦合作用下所有力学指标均较小,在高温和动载耦合作用下沥青层剪应力表现较好。

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.

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。