基于离散元法三裂纹岩石裂纹扩展特征的试验与数值研究

为研究三裂纹岩石的静力学破坏特征,采用离散元数值模拟软件PFC2D和模型试验方法,分析三裂纹岩石的峰值应力、应力—应变曲线及裂纹扩展特性,验证离散元数值模拟方法的可行性。通过改变岩石的水平围压和裂纹长度,分析单轴压缩载荷作用下三裂纹岩石的力学响应机制。研究结果表明:中间横向裂纹对裂纹岩石的峰值应力影响较大,中间竖向裂纹对裂纹岩石的峰值应力影响较小;加载过程中裂纹尖端最先出现应力集中现象,最后形成2条约70°的主裂纹贯通3条预制裂纹;随着围压的增大,三裂纹岩石的峰值应力先增大后减小;随着裂纹长度的增加,三裂纹岩石的峰值应力不断减小。

基于PFC^(3D)的膨胀岩湿胀变形研究

为研究不同过程含水率下膨胀岩的湿胀变形特性,以侧限无荷载膨胀试验和双电层理论为依据,通过PFC^(3D)软件建立计算模型,对万州地区的膨胀岩地基进行研究.结果表明:数值模拟与室内试验结果吻合较好,整个湿胀变形过程按时程特征可划分为变加速“蠕变”、匀变速上升和变减速“蠕变”3个阶段;增大膨胀岩内部的含水率后,首先会引起其内部黏土矿物颗粒的膨胀,当颗粒膨胀累计到一定阶段时会导致宏观层面上的湿胀变形;湿胀变形与湿胀变形速率的关系本质上反映的是膨胀应变与膨胀应力之间的“应力-应变”本构;膨胀岩湿胀变形速率与细胞吸水膨胀速率相似,即随内部含水率的增大而呈现“Λ”字形的变化趋势;K_(0)应力状态下的侧限膨胀试验不能充分释放膨胀岩的膨胀潜势,因此后期需要三轴应力状态下的膨胀试验来进行进一步研究.

基于离散元法的往复振动筛运动参数优化

目的:明确往复振动筛运动参数与筛分效率间的精确量化关系,确定具有最优筛分效率的运动参数组合。方法:利用Rocky精确模拟小麦籽粒和茎秆在筛分过程中的运动行为,设计多因素正交旋转组合数值模拟试验研究振动频率、振幅、振动方向角和筛面倾角对筛分效率的影响。结果:小麦在筛分过程中的运动行为与理论吻合,验证了利用Rocky进行数值模拟的正确性和可行性;频率、振幅、振动方向角和筛面倾角对筛分效率有显著影响,且存在显著的交互作用;最优运动参数为振动频率10 Hz、振幅2 mm、振动方向角45°、筛面倾角0°。结论:建立了反映往复振动筛运动参数与筛分效率间量化关系的回归模型,并获得了最优的往复振动筛的运动参数组合。

抛石散体振动密实过程的离散元数值模拟

借助离散元法对爆炸挤淤形成堆石散体的振动密实过程进行了数值模拟。通过模拟散体单元相互运动、位置重排,在整体上表现出抛石堤的挤密效应,模拟结果与实际情况基本相符。利用离散元法可以清楚地得知所模拟的抛石堤在振动荷载作用下的运动及受力情况,抛石堤在各个时刻的状态也很明确。这充分说明采用动态离散元来模拟散体是可行的。

多尺度有限元法在地下水模拟中的应用

本文详细介绍了多尺度有限元法的基本原理,并将其应用于非均质多孔介质中的流动问题,对水文地质参数按函数连续变化、渐变和突变3种非均质多孔介质中的二维地下水稳定流、非稳定流分别用多尺度有限元法和传统有限元法进行了计算。计算结果的对比表明,多尺度有限元法比传统有限元法有效,既节省计算量又有较高的精度。

PFC滑坡模拟二、三维建模方法研究

滑坡运动过程模拟避免了试验尺度与监测手段的限制,可以详细观察破坏过程,是定量评估滑坡灾变风险的重要研究手段。开展滑坡运动过程模拟的首要工作是建立滑坡模型。颗粒流程序(PFC)虽然是滑坡运动过程模拟应用最广泛的程序之一,但在建立滑坡模型的前处理方面较弱,使得其在滑坡运动过程模拟中的推广应用受到限制。对此,本文指出了BallBall和Ball-Wall两种建模方法的适用性、优缺点及滑体滑床边界确定方法,并以2014年地震触发的红石岩滑坡为例,以Brick填充法为基础,从获取地形数据、确定滑体和滑床区域、建立滑体和滑床几何模型、生成颗粒模型4个步骤出发,提出了基于数字等高线地形图建立PFC二、三维复杂滑坡模型的前处理方法,弥补了PFC软件前处理的不足,从而为今后基于PFC的滑坡运动过程模拟提供有益的帮助。

双重介质温度场-渗流场-应力场耦合模型及三维数值研究

在建立双重介质温度场-渗流场-应力场耦合微分控制方程基础上,提出研究裂隙岩体温度场-渗流场-应力场耦合的双重介质模型,对不同介质分别建立以节点位移、水压力和温度为求解量的三维有限元格式,提出该数学模型的求解策略与方法,开发双重介质流固热耦合分析的计算程序,通过模拟地下2200m的高温岩体地热开发系统的算例发现,注入井附近温度场-渗流场-应力场三场耦合作用十分明显的,主干裂隙对渗流场、温度场和应力场的整体分布具显著影响。与渗流场-应力场耦合,应力场-温度场耦合进行比较,探讨各场耦合效应的强弱,可以得出,在一定空间、时间域内,往往存在着起主导控制作用的双场耦合系统,变温条件下温度场对裂隙渗流场具显著耦合作用,从而论证了存在温度变化梯度的岩土工程中进行三场耦合分析的重要性。

钢筋混凝土结构倒塌全过程数值模拟

提出了一种改进的扩展散体单元模型 ,以模拟钢筋混凝土结构在地震下的破坏与倒塌 .在该方法中 ,钢筋混凝土被离散成一个个质点 ,质点之间用非线性弹簧连结 ,局部的破坏通过弹簧的断裂模拟 ,该方法可以计算结构从局部破坏到整体倒塌的全过程 .

基于连续介质离散元的双重介质渗流应力耦合模型

为模拟边坡在库水涨落和降雨作用下的渐进破坏过程,发展基于连续介质离散元的双重介质渗流应力耦合模型。它分为固体计算模型、孔隙渗流应力耦合模型和裂隙渗流应力耦合模型3个部分。固体计算模型能够反映地质体的破坏规律,可以模拟从连续到非连续的破坏过程;孔隙渗流应力耦合模型可以方便地计算出自由水位线(浸润线)的位置;裂隙渗流应力耦合模型可以避免由于不连通裂隙(孤立裂隙)存在所导致的收敛性问题;假设只考虑库水涨落和降雨的最终状态,裂隙渗流产生的水头分布和由库水涨落所引起的水头改变作为孔隙渗流的变边界条件,从而实现孔隙渗流场和裂隙渗流场的耦合。典型算例计算结果表明,基于连续介质离散元的双重介质渗流应力耦合模型对于库区古滑坡的研究是很有效的。

爆炸排淤法“石舌”形成过程的数值模拟

利用离散元法,对爆炸排淤的“石舌”形成过程进行了模拟和动画显示,并对模拟结果进行了分析。

筒仓卸料的离散单元法模拟

为研究筒仓内颗粒流动的内在机理,采用颗粒离散元软件模拟贮煤筒仓的卸料过程,观察煤粒在仓筒中的流动情况及单个颗粒在流动过程中的位移和速度变化,测得静态和动态时对仓筒壁的侧压力和料斗在某一平面上的压力变化。结果表明:仓筒内颗粒流颗粒流动过程中逐渐向中心聚拢,同一水平面上的颗粒轴线上的先流出,卸料时动态侧压力大于静压力,料斗竖直方向上的动态压力小于静态压力。

卧式行星球磨机最佳参数的数值模拟

采用颗粒离散元法模拟得到卧式行星磨磨筒内钢球平均接触力大小以及随填球率、钢球直径、磨筒半径和公转半径的变化规律,并与实验结果进行了比较分析。结果表明:行星磨的粉磨速率可以由平均接触力大小来确定,粉磨速率的对数是平均接触力线性函数,斜率为0.087。磨筒填球率的增加,导致钢球的平均接触力减小;随着钢球直径、磨筒半径、公转半径的增大,平均接触力呈线性增长,斜率分别为2.5,0.14,0.03,其中钢球直径对平均接触力的影响最大。

裂隙水流与混凝土开裂相互作用的耦合模型

利用扩展有限元法对裂隙水压作用下混凝土结构的开裂过程进行了模拟,裂纹中的流体运动在立方定理的基础上求解,混凝土开裂力学行为采用了黏聚裂纹模型来描述,采用松散型的耦合方式考虑裂隙水流和开裂结构间的相互作用。推导了在基于虚节点法的扩展有限元法框架下的耦合模型控制方程,通过双层迭代结构进行总体方程求解,对混凝土试件在裂纹水压作用下的开裂过程进行了数值模拟。不同加载速率条件下的计算结果反映的裂纹水压变化规律均与试验相近,结果也说明了扩展有限元法是处理连续-非连续问题的一种有效方法。

搅拌磨机介质运动离散元数值模拟分析

针对搅拌磨机应用广泛但对其内部介质运动信息了解甚少的现状,以某公司立式搅拌磨机为研究对象,运用三维离散元方法跟踪磨机内的介质颗粒,考虑其重力、摩擦力和碰撞力的综合作用,建立了搅拌磨机系统的数学模型,对磨机内介质颗粒的复杂运动全过程进行了数值模拟。研究结果表明,在螺旋搅拌器附近的介质球速度值较大,粉磨效率较高,搅拌磨机系统在运行中达到近似平衡状态,系统摩擦功随时间线性增加,但总动能在固定值上下波动。

岩石单裂纹扩展及损伤演化规律的数值模拟研究

采用扩展离散元(EDEM)计算方法,模拟了单轴压缩下含不同预置倾角的单裂纹岩石试样的裂纹起裂、扩展和贯通过程,探讨了裂纹不同扩展阶段的应力变化,分析了不同预置倾角下单裂纹的扩展机制。研究表明:随着预置裂纹倾角α的增大,新裂纹的起裂应力和试样的抗压强度总体上呈增大趋势,但当α=30°时出现突变;α=30°时试样裂纹扩展最为迅速,α=15°,45°,60°,75°时的试样扩展速度依次减弱;当α=15°,30°时,新裂纹从预置裂纹尖端的两翼开始扩展,当α从45°增大到75°时,新裂纹的扩展逐渐向着预置裂纹两侧纵深发展,α=45°时为两种不同裂纹扩展模式的过渡倾角。

多尺度有限单元法求解非均质多孔介质中的三维地下水流问题

应用多尺度有限单元法模拟非均质多孔介质中的三维地下水流问题。与传统有限单元法相比 ,多尺度有限单元法的基函数具有能反映单元内参数变化的优点 ,所以这种方法能在大尺度上抓住解的小尺度特征获得较精确的解。在介绍多尺度有限单元法求解非均质多孔介质中三维地下水流问题的基本原理之后 ,对参数水平方向渐变垂直方向突变的非均质多孔介质中的三维地下水流和Borden实验场的三维地下水流分别用多尺度有限单元法和传统等参有限单元法进行了计算 ,结果表明在模拟高度非均质多孔介质中的三维地下水流问题时 ,多尺度有限单元法比传统有限单元法有效 ,既节省计算量又有较高的精度 ;在模拟非均质性弱的多孔介质中的三维地下水流问题时 ,多尺度有限单元法虽然也能在大尺度上获得较为精确的解 ,但效果不明显。

上软下硬岩质地层浅埋大跨隧道松动压力计算

针对现有方法在上软下硬岩质地层中浅埋大跨隧道松动压力计算方面存在的问题,通过离散元数值模拟和正交试验,分析了围岩的松动破坏机制、风化层厚度和岩体中节理分布状态对隧道松动区形状和范围的影响规律及敏感性。结果表明:影响松动区的主要因素依次为风化层厚度、隧道埋深、贯通倾斜节理的倾角和间距、风化层水平节理间距;松动区可分为拱形和塌穿形两种类型,其边界曲线分别可用抛物线和乘幂函数近似表示。针对塌穿形松动区,通过回归分析建立了地表松动宽度和拱顶松动土条水平长度的计算公式。按照应力传递原理,在松动区内以梯形微分岩土条为对象,通过分层积分,推导出可反映节理产状和风化层厚度影响的浅埋大跨隧道围岩松动压力计算公式。工程实例计算表明,与现有方法相比,所提方法计算的松动压力值最小。

离散单元法高炉无钟炉顶布料模拟研究

从动力学角度，采用离散单元法研究炉料颗粒的受力和运动，建立高炉无钟炉顶布料数值计算模型，模拟无钟炉顶布料过程和料面形状。模拟与实测对比表明，两者基本吻合，证明离散单元法在高炉无钟布料应用中可行，并为高炉无钟炉顶布料的机理研究开辟了一条新的途径。

数值试井分析的有限元法

建立了单相流体在不稳定渗流条件下的有限元方程,考虑了井筒储存效应和表皮效应的影响.将井壁视为内边界,在空间上用任意四边形单元对求解区域进行剖分.用双线性函数描述网格结点的压力变化,在时间上用向后差分法进行离散.通过求解有限元方程获得了井底压力及井底压力导数曲线,并将求得的数值解和相应的解析解进行对比,验证了方程推导及程序编写的正确性.结果表明,用有限元法模拟试井曲线是准确、可靠的.

应用离散单元法对二维流化床内流态进行数值模拟研究

采用基于颗粒轨道模型的欧拉 拉格朗日数值模拟方法 ,将广泛应用于岩土力学中的离散单元法DEM(DistinctElementMethod)引入流体力学中以计算颗粒与颗粒之间的作用力 ,同时考虑颗粒与流体间的相互作用(双向耦合 ) ,对二维流化床进行数值模拟 ,结果与实验观察到的现象基本一致 。