三维数值流形法在裂纹扩展中的应用研究

运用三维数值流形法（3D NMM）进行三维裂纹扩展分析,并采用C++语言编写了相应的程序。充分利用三维数值流形法模拟裂纹扩展的优势,只需要更新裂纹尖端线附近的边界环路和流形单元,不需要使用阶跃函数。根据三维数值流形法计算得到的应力结果,应用非局部求迹方法分析每个裂纹尖端的破坏状态,如果发生破坏则沿垂直于其最大主应力方向扩展。针对裂纹扩展后的不同状况,采用四边形或三角形推进法。裂纹扩展后为了使变形后的面保持平面,必须对新生成的面进行三角化分割。对诸如单边裂纹、平行钱币型裂纹和倾斜钱币型裂纹扩展问题进行数值模拟。计算结果表明,采用三维数值流形法进行裂纹扩展模拟是可行的,文中方法对裂纹尖端线非闭合和闭合的情形均适用,且文中方法对于裂纹尖端线位于单元内部的非平面裂纹扩展也是有效的。     

数值流形法在处理强奇异性问题时的网格无关性

数值流形方法（NMM）的最大优势在于可以统一地处理岩土力学中的连续和非连续变形问题。它在求解断裂力学问题时无需强制裂纹与数学网格保持一致,非常适合应用于岩土工程中由连续到非连续的破坏过程模拟。在裂纹扩展过程中,裂纹与数学网格的相对位置将会是任意的,如裂纹尖端可能落在网格内部、网格节点上或网格边上等。因此,对同一条裂纹,通过旋转和移动数学网格构造了它们之间的这种相对位置关系以及一些可能对计算结果产生影响的极端情况,并以应力强度因子作为衡量标准,研究了NMM在处理线弹性断裂力学问题时的网格依赖性。研究表明,NMM即使在处理强奇异性问题时依然有着很好的网格无关性,进一步证实了它在模拟裂纹扩展问题时的鲁棒性。     

基于数值流形法的重力坝水力劈裂研究

运用数值流形法在非连续介质领域的独特优势,并结合断裂力学的基本原理,分析了重力坝的水力劈裂破坏问题,实现了重力坝起裂、扩展和渐进破坏的全过程。充分发挥应力强度因子判别法和带抗拉强度的摩尔-库仑破坏准则各自的优势,根据不同情况选取其中某种方法确定断裂和扩展方向,且不需要预制初始裂纹。选取一个算例两种工况分析了重力坝在不考虑裂纹面内水压力和考虑裂纹面内水压力的水力劈裂破坏情况。计算结果表明,在重力坝的水力劈裂中,当不考虑裂纹面内水压力时,坝踵处裂纹向下游和深部扩展,上游折坡点处裂纹属于压剪型破坏;当考虑裂纹面内水压力时,坝踵处裂纹偏向深度方向扩展,折坡点处的裂纹逐渐由压剪破坏变成了拉剪破坏,并且考虑裂纹面内水压力后坝体破坏所需要的时步减少,故而考虑裂纹面内水后降低了重力坝的安全系数。该方法加深了对重力坝水力劈裂破坏的认识,具有较大的实际应用价值。     

基于数值流形法的三维裂纹扩展研究

基于数值流形法（NMM）进行三维裂纹扩展分析研究,编写了相应的C++程序。充分发挥数值流形法在非连续变形分析领域的优势,不需要扩展有限元中的水平集和阶跃函数概念,应用数值流形法计算结果分析裂纹尖端线的破坏状况,对已有的非局部求迹法和三角形推进法进行简化和扩展,提出一种简化算法确定最终的新裂纹扩展面。应用简化算法对水平钱币型裂纹扩展问题进行数值模拟和对比分析研究。计算结果表明,基于数值流形法的三维裂纹扩展算法是可行的,采用简化处理之后,克服原有算法的不足,大大减少了新裂纹尖端线和新裂纹面的数目,降低了计算网格对新裂纹面的影响,提高了计算效率和扩大了应用范围。     

细观尺度下岩石沿晶断裂应力强度因子计算研究

大量的细观试验研究发现,岩石破坏主要是裂纹沿着岩石晶体颗粒边界的扩展造成的（沿晶断裂）,裂纹沿弯折晶界的扩展则构成了不同材料边界上翼裂纹的扩展。基于以上细观试验结果,建立奇异单元的有限元模型,通过对节点位移的数值外插法,得到了岩石材料沿晶断裂翼裂纹应力强度因子,并研究了晶粒几何特征和材料非均质性（Dundurs参数）对裂纹扩展的影响。研究表明：在均质情况下,晶粒的几何形状在接近正六边形的情况下最适合裂纹扩展。随着非均质性的增强,各主翼裂纹比和晶粒几何角度所对应的KI值都要较均质模型的结果更高,最大的KI 所对应的晶粒的内角角度也有所增加。综合所有计算结果可以看出,岩石中晶粒的非均质程度越高,越利于岩石破裂。     

改进的数值流形法在水力劈裂中的应用

数值流形法在非连续变形分析领域具有独特优势。结合裂纹尖端场函数的基本概念,分析了水力劈裂破坏问题,模拟了水力劈裂破坏过程,避免了扩展有限元中的阶跃函数和水平集概念。为了避免裂纹尖端在单元内部不同位置而产生误差,对裂纹尖端附近一定范围内的每一个物理覆盖附加奇异覆盖函数。选取一个算例比较分析了内水压力对应力强度因子的影响,当考虑裂纹面内压时,定量分析比较了各因素对应力强度因子的影响大小,并应用于分支裂纹水力劈裂破坏。计算结果表明,改进后的计算结果与解析解相吻合。未考虑裂纹面内压,误差往往较大。考虑裂纹面内压后,随着裂纹长度的增加,误差逐渐减小;随着网格密度的增加,误差也逐渐减小。分支裂纹的渐进破坏结果表明该改进方法的可行性,具有较大的实际应用价值。     

断层端部裂纹扩展相似模拟试验及力学机理

基于相似理论制作符合实际地层力学性质的先存断层模型试件,分析在一定地应力条件下试件破坏过程;利用断层端部应力场理论,揭示先存断层构造产生相应破坏模式的机理。结果表明,随着载荷的增加,微裂纹逐渐发育扩展,扩展路径逐渐趋向于加载方向,在裂纹扩展的过程中会伴随产生多条分支路径,随后裂纹相互汇合贯通使试件破坏,利用断层端部应力场理论可以判定新产生的破裂方向,其与先存断层产生的主要破坏的角度具有一致性。      

三维梁-颗粒模型在岩石材料破坏模拟中的应用

用三维梁-颗粒模型BPM3D(beam-particlemodelinthreedimensions)对岩石类非均质脆性材料的力学性质和破坏过程进行了数值模拟。梁-颗粒模型是在离散单元法基础上,结合有限单元法中的网格模型提出的用于模拟岩石类材料损伤破坏过程的数值模型。在模型中,材料在细观层次上被离散为颗粒单元集合体,相邻颗粒单元由有限单元法中的弹脆性梁单元联结。梁单元的力学性质均按韦伯(Weibull)分布随机赋值,以模拟岩石类材料力学参数的空间变异性。材料内部裂纹通过断开梁单元来模拟。通过自动生成的非均质材料模型对岩石类材料的破坏机理进行研究。岩石类非均质脆性材料在单轴压缩状态下破坏过程细观数值模拟结果显示,岩石材料宏观破坏是由于其内部细观裂纹产生、扩展、贯通的结果。通过数值模拟结果之间的对比分析,揭示出岩石试样宏观破坏模式随细观层次上韦伯分布参数的变化而不同。与实际矿柱破坏形态的对比分析表明了模型的适用性。根据数值模拟结果对岩石类非均质材料的破坏机理进行了探讨。     

岩石倾斜裂隙与水平裂隙扩展贯通试验及数值模拟研究

采用最新配置的水泥砂浆材料,通过在试件中布置倾斜裂隙和水平裂隙,开展了单轴和双轴条件下的压缩试验,详细分析了不同加载条件下试件裂隙的扩展和贯通规律。试验结果表明:无裂隙内水压时,在单轴压缩条件下倾斜裂隙在扩展贯通水平裂隙后裂纹的扩展路径和方向发生明显改变,试样最终发生劈裂破坏。侧压的增大抑制了倾斜裂隙端部翼裂纹和次生裂纹的萌生,高侧压下翼裂纹没有贯穿水平裂隙,试样破坏模式变成了剪切破坏。水力耦合作用下,单轴压缩时倾斜裂隙翼裂纹尖端的最大主应力分布范围随着内水压的增大逐渐变小,翼裂纹的起裂应力、起裂角和峰值强度逐渐降低,试样发生劈裂破坏。通过数值模拟得到的裂纹扩展贯通规律与试验结果具有良好的一致性,开展了不同内水压时倾斜裂隙扩展贯通无水压的水平裂隙的数值分析,随着内水压的增加倾斜裂隙首先萌生共面裂纹随后产生翼裂纹,翼裂纹扩展贯通水平裂隙时扩展路径同样会发生改变。水力耦合作用下侧压也会抑制翼裂纹的萌生,随着内水压的增大减弱了侧压对倾斜裂隙翼裂纹的抑制作用。     

模拟岩石中裂纹扩展连接的近场动力学方法

脆性岩石材料在压应力作用下常出现两类裂纹：翼型张拉裂纹和次生剪切裂纹。近场动力学是一种新型的无网格数值计算方法。在近场动力学理论中,采用积分形式的控制方程代替微分形式的控制方程使得该数值算法在断裂问题上具有独特的优势。将Mohr-Coulomb准则和最大主应力准则引入非普通“态”基近场动力学理论中,分别用于模拟材料常见的压剪和张拉破坏。这种扩展的非普通“态”基近场动力学可以有效地模拟脆性岩石材料在多种受力状态下的裂纹起裂、扩展和连接问题。通过5个不同的数值算例说明该数值算法在处理脆性岩石材料断裂问题的有效性和准确性。首先,通过模拟含圆孔的弹性板拉伸数值试验说明该数值算法的有效性和准确性。其次,数值模拟了简单三点弯曲试验以及不使用其他外部准则条件下动荷载作用下裂纹的分叉试验,所得结果与其他试验结果或数值结果相吻合,从而验证了该理论的有效性。然后,模拟了包含斜裂纹的巴西圆盘试验,裂纹扩展路径和计算所得的断裂韧度同样吻合于试验结果。最后,模拟了单轴压缩状态下,预制裂纹试样的裂纹扩展和连接问题。将该数值算法与试验结果对比表明,所提出的数值方法可以模拟和预测岩石类材料的张拉和压剪裂纹的起裂、扩展和连接行为。     

Frictional crack initiation and propagation analysis using the numerical manifold method

By employing both a physical mesh and a mathematical mesh to formulate a physical problem, the numerical manifold method (NMM) can lead to a very simple meshing task, which allows directly capturing the discontinuities across the crack surfaces without further incorporating unknowns to the related nodes through enrichment functions. These features enable the NMM to handle complex crack problems. In this study, based on the contact technique of the NMM and the incorporation of the Mohr–Coulomb crack initiation criterion, the effects of the friction and cohesion on the crack growth from a closed flaw (crack) under compression were investigated. A limited number of comparisons between the numerical results and the physical experiments show that with the Mohr–Coulomb crack initiation criterion, the NMM can not only accurately predict the pure tensile or pure shear crack growth, but the NMM can also satisfactorily predict the development of mixed shear–tensile crack types. Using a parametric analysis, the effects of the confining stress, the flaw inclination angle, the flaw friction angle and the material strengths on the crack development (crack initiation stress, crack initiation angle, crack type developed) have been investigated.     

数值流形法的T样条局部加密算法

在岩土工程分析中求解精度控制常常是必需的,在数值流形法中可以通过控制数学覆盖网格的稀疏和覆盖位移的阶数来达到精度的要求。提出了基于等几何分析的数值流形方法,定义了相应的数学覆盖的构造形式,推导了基于二次B样条的9节点数值流形方法分析格式;针对基于Lagrange插值函数的4节点数值流形方法提出了基于T样条思想的数学覆盖网格的局部加密方法。算例计算结果表明,相对于4节点的数值流形方法,基于非均匀有理B样条的9节点数值流形方法具有更高的精度;基于T样条思想的加密网格在保持计算精度的前提下降低了自由度的数量,表明T样条加密是一种自然的局部加密算法。     

开挖模拟在数值流形方法中的实现

针对数值流形方法特有的覆盖剖分方式,提出了一种模拟岩土工程中开挖过程的算法。该算法采取某种措施,在覆盖剖分过程中将开挖面视为特殊的不连续面,这种不连续面将其所在的数学网格剖分成不同的流形单元,但却不对所在的数学覆盖作剖分。这样,开挖面两侧虽分属不同的流形单元,但开挖面两侧同一数学网格内的流形单元却具有相同的物理覆盖。采用该算法,无需对开挖面处的单元进行特殊处理,可在整个分析域采用统一的网格形式;同时,打破了原有数值流形方法的限制,将开挖面的位置完全当作连续介质来处理,避免了因将其视为不连续面而产生的误差。验证了算法的可靠性后,将其应用于某假想隧道的开挖模拟,计算结果表明该算法具有一定的应用前景。     

Dynamic Study on Fracture Problems in Viscoelastic Sedimentary Rocks Using the Numerical Manifold Method

The viscoelastic deformation behavior of a sedimentary rock under different loading rates is numerically modeled and investigated by the numerical manifold method (NMM). By incorporating a modified 3-element viscoelastic constitutive mode in the NMM, crack initiation and propagation criteria, and crack identification and evolution techniques, the effects of the loading rates on the cracking behavior of a sedimentary rock, such as crack open displacement, crack sliding displacement, crack initiation, crack propagation and final failure mode, are successfully modeled. The numerical results reveal that under a high loading rate (>1,000 MPa/s), due to the viscoelastic property of the sedimentary rock, not only the structural behavior deviates from that of elastic model, but also different cracking processes and final failure modes are obtained.     

重力坝层间抗滑稳定体系的动力可靠度分析方法

受明显的层状结构影响,加之材料参数和动荷载的双重随机性,动力条件下碾压混凝土重力坝的层间抗滑稳定可靠度问题值得关注。考虑地震波频谱特性、峰值加速度、坝体材料参数的随机性,统计概化出地震作用下坝体的潜在滑动失效路径;在特定地震动作用下,基于随机有限元分析结果,采用刚体极限状态判断准则和响应面法构建失效路径的动力抗滑稳定功能函数,进而求得其抗滑稳定可靠指标;接着考虑不同失效路径的相关性,用Ditlevsen窄界限公式估算体系的可靠度;最后,考虑地震动荷载的随机性,采用基于全概率公式的数值拟合积分方法求解大坝抗滑稳定体系的动力可靠度。研究结果表明,动力条件下,当水平地震系数大于0.2时,重力坝层间抗滑体系可靠度不再由建基面失效路径决定,而是由下游折坡处层面的失效路径决定。该方法数学意义明确,实用性强。