无单元法应用于节理岩体

无单元法是一种新方法,其在岩体问题的应用中,至今报道甚少.根据岩体结构特点和无单元法的优点,建立了节理岩体的二维无单元模型,编制了相应的节理岩体无单元程序,并给出了算例,计算结果表明,该模型是合理可行的,同时给处理岩体节理问题带来了方便.     

一种离散单元法的弹性可变形颗粒模型

基于弹性变形的Hooke定律,提出了一种考虑颗粒变形以及不同材料特性的离散单元法(discrete element method,DEM)的多边形颗粒模型,根据该模型开发了相应的DEM程序。应用有限元方法和DEM模拟了弹性颗粒的碰撞过程。通过与有限元计算结果比较,证明在处理颗粒的接触问题时,该弹性可变形颗粒模型比传统刚性模型能够准确地反映颗粒介质的实际变形和接触力的变化,从而能够提高DEM分析的精度。     

基于离散Kirchhoff理论的多边形样条薄板单元

在有限元方法中,采用多边形单元可以有效地模拟材料的力学性能,又使得网格剖分变得灵活方便.此外,允许退化情形的多边形单元可以处理出现悬节点的奇异网格.但目前对多边形薄板单元的研究却不多.多边形单元的研究难点在于插值基函数的构造.本文采用样条和基于三角形面积坐标的B网方法,将多边形进行三角剖分,通过适当选取连续性条件消去内部节点自由度,构造允许1-irregular退化的多边形样条插值基函数,再结合离散Kirchhoff理论得到多边形薄板弯曲单元,记为DKPS单元.该单元的插值自由度为各个顶点处的扰度和两个转角,并对直角坐标具有二次完备性,可以处理凸多边形、凹多边形和退化的网格.而且,采用多项式B网方法,可以方便地进行单元刚度矩阵的计算,无需使用数值积分公式.数值实验显示该单元对畸变网格仍然能保持很好的计算精度,是一种高效的单元.     

基于离散单元法的环氧沥青混凝土虚拟断裂试验研究

为明晰环氧沥青混凝土的断裂力学行为特征,基于数字图像处理技术,采用离散元方法建立了切口小梁二维模型,开展了环氧沥青混凝土的虚拟弯曲断裂试验.从细观角度分析了环氧沥青混凝土断裂过程中的力学响应,探讨了其断裂机理及裂纹扩展路径,并与室内试验结果进行了对比.结果表明,采用离散元方法可较好地反映环氧沥青混凝土的断裂力学特性,数值模拟过程中虚拟试件的力学响应与理论结果相符.虚拟试验获取的材料强度参数与室内试验的测试结果接近,误差仅为0.25%,但前者所得的劲度模量因破坏挠度偏大,较后者低16.56%.在裂纹扩展过程中,破坏易产生于黏结较为薄弱的集料-砂浆界面.虚拟试验与室内试验的对比分析结果验证了离散元模型以及参数取值的正确性.     

含孔岩体破裂过程的无单元法数值模拟

根据岩体损伤程度对其渗透性和强度的影响,利用定义的损伤变量建立了应力-渗流-损伤的耦合分析模型.综合考虑应力、渗流、损伤之间的相互作用影响,模拟分析了含孔岩体在不同水压力作用下破裂的过程.分析表明,内水压力是促使裂纹扩展的一个重要因素,内水压力增加可以使原来停止扩展的裂纹重新扩展或者使原来闭合的裂纹重新张开,而且裂纹张开度的变化将导致裂纹内的渗流特性发生改变.     

基于离散单元法的基坑涌水量数值模拟

依托某市拟建高层建筑物基坑工程,分析了场地的水文地质特征,建构了概化的场地水文地质结构模型.基于离散单元法对基坑进行了涌水量的数值模拟,并将计算结果与基坑涌水量实测结果进行了对比.研究结果表明,两者吻合较好.说明建立的岩体结构面二维网络模型能较真实地反映地质体特征,可用来进行裂隙水流的基坑涌水量计算.     

矿山边坡破坏机制的离散单元法模拟

用离散单元法对磐石镍矿下盘边坡的变形和破坏机制进行了模拟,考虑了坡体中裂隙水的影响,并编制了相应的计算程序和后处理程序。研究表明,离散单元法的模拟结果与现场岩移监测结果基本一致,说明离散单元法在节理边坡岩体变形和破坏机制的研究中具有广阔的应用前景。     

研究沥青混合料的离散单元法

沥青混合料具有典型的黏弹性能,首先对离散单元法进行了简要介绍,提出了采用这种方法分析沥青混合料粘弹性能的理论以及分析路线和方法,并对黏弹性能分析迭代过程中关键的时间间隔Δt的取值进行了重点的分析和讨论。最后通过实例,验证了应用离散单元法分析沥青混合料的优点。     

多边形单元上有理函数插值的误差估计

采用有理函数可以在任意凸多边形单元上,构造出满足单元间协调性要求的插值函数.对多边形上的有理函数插值的误差进行了分析,利用有理函数插值形函数的性质和二元函数的Taylor展开式,证明了有理函数插值的误差估计不等式。     

碎石桩单桩受荷模型试验的离散单元法数值模拟

为了克服连续介质模型无法有效反映碎石散体特性的缺陷,将碎石桩视为凸多边形离散块体集合,桩周软土视为理想弹塑性材料,采用二维离散单元与有限差分耦合数值方法建立了软土地基中碎石桩单桩竖向受荷模型,对碎石桩单桩受荷变形破坏及桩土相互作用全过程进行了模拟,通过荷载-沉降曲线、桩体及土体变形场应力场讨论了碎石桩单桩承载破坏机制.数值模拟结果与室内模型试验实测的荷载-沉降曲线、桩体鼓胀变形吻合良好,验证了本文数值模型的合理性.利用离散单元法建立的碎石桩模型无需复杂的本构模型假设便能较好地反映其鼓胀变形和失稳特性,同时讨论了模型的不足与有待进一步研究的问题.     

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 (Distinct Element Method)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,预示着离散单元法在密相气固两相流数值模拟研究中具有广阔的前景.     

三维无单元法模拟岩体裂纹扩展

针对岩体结构的复杂性,尤其是裂纹扩展这个岩土工程数值分析中的难点问题,采用无单元滑动最小二乘法来构造位移函数,该方法不需要划分网格,能较好地模拟岩体等介质中的裂纹传播,不仅可以保证计算精度和收敛性,而且可以减少计算难度.文中首先介绍了无单元法的基本思想和程序设计思路,重点推导了三维岩体的无单元计算公式和编制了三维无单元程序,计算了一坝体的位移和应力.     

离散单元法中数值求解方法的改进

对离散单元法中的数值求解提出采用同步动态松弛法，以避免动态松弛法由于路径相关性所造成的算法误差．数值计算结果表明，同步动态松弛法简单、有效，且计算较为稳定，精度较高，并可使计算时步取得稍大一些，从而较大地加快了离散单元法的计算速度．     

可用于塑性材料的离散单元滞回力矩滚动阻力模型

针对现有弹簧阻尼滚动阻力模型无法准确表达塑性材料形变的受力变化的问题,提出一种用于塑性颗粒材料的新型离散单元滚动阻力模型——滞回力矩滚动阻力模型.以粒子材料弹塑性形变理论为基础,将粒子滚动过程中离散单元的滚动接触摩擦力矩描述为滞回项和阻尼项,滞回项表示其接触中心点前后处于受力不平衡的塑性变形状态,阻尼项表示粒子表面的摩擦.通过沙堆试验对此离散单元滚动接触模型进行验证,实现了粒子接触中心点前后受力不平衡塑性变形状态的更高精度表达.从粒子接触微观过程而言,所提出的模型更符合材料塑性变形力学机理,能更好地应用于塑性颗粒材料的仿真研究.     

焦炉装平煤过程的离散元模拟优化

目前炼焦煤的供应日趋紧张,在现有设备下提高焦炉的单孔装煤量成为了研究重点。由于物理试验研究不仅耗费劳动力且有很大的不确定性,本文建立了以离散元为基础的仿真模型,研究了焦炉炭化室的装平煤过程。结果表明,由于炭化室结构造成的壁面效应,不同区域的煤料配位数和散密度相差明显,导致了机侧和焦侧缺角严重,装煤不满的现象。针对这个问题,通过改变不同落煤口的装煤顺序,发现在靠近焦侧和机侧的落煤口先落煤时,煤料能够为两侧减少缺角提供支持,从而有效地提高了总装煤量。关于平煤过程,研究确定了一种两次长平煤和两次短平煤相结合的方式,对炭化室内煤料起到了压实、压匀的作用,并明显改善了焦侧缺角的问题。     

基于离散单元法的发射装药挤压破碎动力学仿真

为了探寻发射装药低温下挤压破碎机理,研究发射装药挤压破碎对发射安全性的影响,本文利用离散单元法模拟了发射装药动态挤压破碎过程.将发射药粒离散成弹簧-球单元系统,建立了发射药床挤压破碎动力学模型,仿真了发射药床在动态冲击载荷下的挤压破碎动力学过程.采用统计的方法定量地获得了破碎后发射药床的表面积,其结果与试验较为接近,验证了本文理论与模型的正确性.研究结果为进一步研究发射装药低温下挤压破碎对发射安全性的影响奠定了基础.     

用离散波数法计算层状介质中地震破裂产生的动态位移场

 设震源为一个以有限速度扩展的双侧破裂走滑断层,在1°×1°的研究范围内,采用离散波数法,首先计算出144个场点处的位移时程,最后得到了地震破裂产生的动态位移场,并讨论了其动态辐射特征.地震破裂动态位移场的计算为将来实现地震动态应力场的计算奠定了基础.     

基于非解析计算流体力学和离散单元法的大颗粒在流场中的高效率运动模拟

为实现占据多个流体网格的大颗粒在流场中运动的仿真,基于计算流体力学和离散单元法耦合(computational fluid dy namics-discrete element mothod,CFD-DEM),提出了一种新的数值方法.使用黏结颗粒模型将大颗粒近似表示为多个小球形颗粒黏结而成,基于非解析CFD-DEM方法计算流体对每个小球颗粒的作用力,将所有小球颗粒运动参数的平均值用于描述整个黏结颗粒的运动状态.通过黏性流体中球形大颗粒的沉降运动模拟,比较仿真结果与相关实验数据,结果表明:该方法不仅能准确模拟球形大颗粒的沉降运动,而且与浸没边界法相比计算效率更高.与传统的解析CFD-DEM方法相比,此方法还可以方便且准确地模拟三维情况下非球形大颗粒在流场中的运动.     

用离散单元划分法计算页岩气资源量

针对页岩气聚集机理的特殊性和我国页岩气评价的基础条件,提出了采用离散单元划分法计算页岩气资源量。根据页岩含气量的非均质性特点,借鉴有限元原理,将评价地质单元中连续分布的页岩气资源进行有限数目的单元离散;根据页岩气不具有顺层流动性的特点,以含气量资料井为中心,采用井控分块、单元划分、参数类比、离散累加的原则和方法计算页岩气资源量。该方法应用在鄂尔多斯盆地下寺湾区页岩气资源量计算中,效果良好,表明离散单元划分法可应用于页岩气勘探开发各阶段,在页岩气滚动评价中具有较大的推广应用前景。     

基于有限体积法的离散裂缝模型两相流动模拟

正确认识裂缝性油藏流体流动规律是其高效开发的基础,离散裂缝模型因其对裂缝予以显式降维处理,能够大大提高计算效率而逐渐成为当前研究的热点。有限体积法在控制体单元上具有明确的物理意义,能够严格保证局部质量守恒,适用于流场性质不连续的情况。基于Delaunay三角网的对偶网格构建有限体积控制单元,推导了离散裂缝模型油水两相流动控制方程的有限体积数值计算格式,实现了离散裂缝模型油水两相数值模拟,通过算例验证了该方法的正确性与高效性。研究表明:该方法能够严格保证局部质量守恒,计算过程中收敛性较好,适用于离散裂缝油藏的数值模拟,与单孔隙介质模型计算结果具有很好的一致性,计算效率提高2.5～3.0倍。