基于复合混合物理论的热-水力-力学污染物输运模型

污染物在饱和可变形多孔介质中的输运问题属于多场耦合的范畴.为模拟含N种组分的液相污染物在可压缩固相多孔介质中的输运过程,在复合混合物理论的基础上将体积分数作为内变量引入,提出并建立了可压缩多孔介质中多组分污染物热.水力.力学耦合输运问题的热力学框架.将体积分数看作独立变量用于描述介质的微观结构,并形成动力相容条件来描述由多组分流体饱和的可压缩多孔介质界面处应力突变的微观力学机制.根据近平衡态理论以及线性化方法得到基于上述理论框架的线性化热.水力.力学耦合污染物输运模型.所提出的模型是在公理系统基础上建立的,输运过程中的渗流和扩散过程最终可表示为与相的密度梯度、组分浓度梯度、体积分数梯度及温度梯度有关的形式,实现了多种因素的耦合.     

基于近场动力学与有限体积法耦合的裂隙岩体渗流模拟

考虑在不降低求解精度的情况下有效地减少计算量,基于有效应力原理提出了一种有限体积法与近场动力学耦合的方法来模拟饱和孔隙裂隙介质中水力裂缝扩展问题。首先,通过多孔介质渗流模拟算例验证了所提方法的有效性;其次,通过几个数值算例进一步验证了该方法在流体驱动下模拟饱和裂隙孔隙介质中裂纹扩展的能力和主要特点;最后,通过对5个工况的模拟,展现了围压差对水力压裂裂缝扩展具有诱导作用的现象。同时,将该耦合方法的数值模拟结果与其他数值、解析结果或试验结果相对比,进一步说明所提出的耦合方法能够有效模拟岩石流固耦合的力学扩展破裂过程。     

混凝土等颗粒型材料的偶极效应分析

考虑物质点的偶极效应,基于 Cosserat 连续体介质力学模型,把球形微颗粒推广到方形微颗粒,推导出方形微颗粒对应的偶应力和曲率应变之间的线弹性关系,并提出了一种能考虑微颗粒倾覆破坏的广义屈服准则。编写了基于 Cosserat 连续体介质力学模型的有限元分析程序,进行了混凝土试样单轴压缩试验和土体边坡稳定性分析的数值模拟。研究结果表明,物质点的偶极效应确实存在,且是材料发生应变局部化的直接原因。     

考虑SSI效应的输电塔-线耦合系统抗震可靠度分析

为研究输电塔在土结相互作用（Soil Structure Interactions， SSI）和塔-线耦合作用影响下的抗震可靠度，提出了考虑SSI效应的输电塔-线耦合系统抗震可靠度分析方法. 建立考虑SSI效应的输电塔-线耦合系统简化力学模型，推导其在随机地震作用下的运动方程. 基于随机函数-谱表示方法模拟随机地震动加速度时程，对耦合系统进行随机地震动力响应分析. 以基于GF-偏差点集的样本分数矩最大熵法估计随机地震响应极值分布，并求解耦合系统抗震可靠度. 选取工程中某特高压输电塔-线体系作为研究对象，对本文方法的有效性进行验证. 结果表明，当塔底地基土为软弱土时，考虑SSI效应后，塔顶位移响应极值增大约46.59%，加速度响应极值增大约17.43%，结构失效概率增加约70.32%. 考虑塔-线耦合作用后，塔顶位移响应极值减小约0.51%，加速度响应极值增大约1.74%，结构失效概率减小约15.71%. 对于考虑SSI效应的输电塔-线耦合系统，塔底地基土越软，塔顶位移与加速度响应极值越大. 与蒙特卡洛法相比，本文方法求解的结构失效概率最大误差仅为9.97%，具有较高的精度和计算效率.     

饱和土体固结3D比例边界有限元法分析

基于饱和土体Biot固结理论,考虑土体体力与表面作用力,结合饱和土体中土骨架动力平衡方程与孔隙流体的连续方程,在计算域内采用Galerkin加权余量法,推导了3D无限、有限域全耦合饱和土体固结的比例边界有限元方程.理论推导表明:与单相弹性土体不同的是,由于孔隙水的存在,饱和土体固结比例边界有限元法方程中不仅有位移、应力矩阵,而且还存在孔隙水压力的影响耦合矩阵;该方程不仅能够满足无限域无穷远边界辐射条件,而且在径向(与饱和土体-结构接触面垂直方向,指向无限远)上具有严格的精确性,环向上(与饱和土体-结构接触面平行方向)具有有限元单元无限收敛的准确性.     

横观各向同性圆形基坑抽水-水位恢复试验数值分析

为模拟井点抽水引起的圆形基坑内外水头变化以及地面变形,考虑水力特性和力学特性的横观各向同性及地下结构物的影响,建立了轴对称柱坐标系下的饱和-非饱和土固结模型.基于该模型,模拟两组圆形基坑抽水-水位恢复试验,分别研究弹性模量和初始饱和渗透系数的横观各向同性对水头和土体位移的影响.结果表明,当弹性模量越大时,水头越易改变,土体位移越小;当初始饱和渗透系数越大时,水头变化量和土体位移越小.     

降雨诱发非饱和土地下水位上涨的耦合效应

降雨容易诱发地下水位上涨,从而引发多种危害.降雨诱发土体变形与渗流耦合,目前的研究多集中在土体耦合各场的变化规律,对土体水力耦合过程地下水位变化规律及影响因素研究较少.基于渗流理论、弹性理论及VG土-水特征曲线模型,建立了二维非饱土体的水力耦合的数值模型,从水力耦合的角度去研究降雨诱发地下水位上涨.该模型突破了饱和时的渗透系数是常量的局限,且适用于任意的土-水特征曲线表达式.通过算例对二维非饱和土渗流-变形耦合模型展开分析,并深入探讨了地下水位升高的耦合效应.计算结果表明:降雨强度、初始条件以及饱和渗透系数为变量等因素对地下水位上涨有显著的影响;位移最大值出现在地下水位以上,地下水位以下位移变化梯度相对较大.     

砂沸现象的细观数值模拟及影响因素分析

采用饱和砂土流固耦合的细观力学模型,通过颗粒流数值模拟了在临界水力梯度条件下饱和砂土的细观响应.讨论了在建议模型框架内临界水力梯度、颗粒刚度等因素对模拟结果的影响,并从细观机理上做了进一步分析.模拟结果表明,在临界流或超临界流条件下,试样最终的稳态响应分成两部分:一部分颗粒停留在试样顶部,其颗粒数量正比于施加的水力梯度值;另一部分颗粒则在试样底部形成某种形式的对流运动.细观数值模型分析所得的临界水力梯度比连续介质力学分析得到的值要小,这个差别反映了模型的动力特性.在临界流或超临界流条件下,砂沸时水的流动除局部区域外基本上仍属于层流范围,但已偏离了达西定律.     

面-面接触铝合金紧固件微动疲劳寿命预测方法研究

针对具有面-面接触特征的铝合金紧固件,根据其接触特点,建立有限元模型计算了其应力场分布。考虑接触面高轴应力梯度的力学响应,用接触面应力三维度的概念来反映微动疲劳多轴应力状态。考虑损伤和弹塑性势能的耦合,从热力学第二定律出发,基于损伤力学本构方程,推导出基于热力学耗散势函数的耦合损伤演化模型。结合实验参数,得到预测铝合金紧固件微动疲劳寿命的方法。寿命预测结果与实验值进行对比,误差分散在25%范围内。     

基于PHF-LSM-MT法岩石材料细观边界建模与水力裂缝扩展研究

天然非均质岩石具有复杂的细观结构和分布特征,本文结合柏林噪声建立考虑非规则边界的颗粒几何模型,实现考虑任意粒径、长短半轴、倾角和平面填充率的非规则颗粒填充.基于完全流-固耦合弹塑性理论,在已有的PHF-LSM(permeability-based hydraulic fracture level set method)模型基础上,通过引入MT (Mori-Tanaka)均匀化方法考虑积分点有效范围内细观尺度的材料分布特征,进而建立了PHF-LSM-MT非均质岩石材料细观特征建模及其水力压裂过程模拟方法.结合误差分析验证了该方法的可行性,在此基础上对非均质岩石材料进行了水力压裂过程模拟,得到了等效开裂区域.模拟结果表明:注水点水压力呈先升高后降低的趋势,起裂压力随包裹体体积分数增加而降低.