模拟三维裂纹问题的扩展有限元法

扩展有限元法是一种在常规有限元框架内求解强和弱不连续问题的新型数值方法,其计算网格与不连续面相互独立,因此模拟移动不连续面时无需对网格进行重新剖分。给出了模拟三维裂纹问题的扩展有限元法。在常规有限元位移模式中,基于单位分解的思想加进一个阶跃函数和二维渐近裂尖位移场,反映裂纹处位移的不连续性。用两个水平集函数表示裂纹。采用线性互补法求解裂纹面非线性接触条件,不需要迭代,提高了计算效率。采用两点位移外推法计算裂纹前缘应力强度因子。给出了3个三维弹性静力问题算例,其结果显示了所提方法能获得高精度的应力强度因子,并能有效地处理裂纹面间的接触问题,同时表明扩展有限元结合线性互补法求解不连续问题具有较好的前景。     

二维密度界面的遗传算法反演

二维密度界面的反演可表述成非线性优化问题，本文用遗传算法进行反演计算，首先把连续的密度界面分割成若干单元，在单元中用形函数拟合，再用高斯积分求解重力异常值，把约束条件和拟合方差组合成目标函数，用园柱体和二维盆地模型的反演实例表明，用遗传算法，反演二维密度界面是可行的     

基于扩展Lagrange乘子的Clough接触面模型及应用

双曲线接触面本构模型能比较真实地模拟堆石材料与混凝土面板间的接触关系,扩展Lagrange乘子法能比较精确地计算接触面间接触状态。在吸取Clough双曲线接触面本构关系应用于无厚度的Goodman单元和有厚度的Desai薄层单元的成功经验的基础上,将Clough双曲线接触面模型引入扩展Lagrange乘子法进行摩擦接触问题的求解。介绍了基于扩展Lagrange乘子法的序列二次规划法（SQP）提法,详细推导了在扩展Lagrange算法的非线性接触计算中引入Clough双曲线接触面本构关系的数值列式和实施步骤。数值算例和工程实例的计算结果证明该方法是成功的,能够比较真实地模拟堆石-混凝土墙（混凝土面板）之间的接触状态。     

模拟摩擦接触问题的新型无网格数值方法

针对摩擦接触问题,给出一种新型的无网格数值方法。该方法基于单位分解思想,在标准无网格Galerkin法的位移模式中嵌入不连续函数和裂尖奇异函数,分别反映接触面的不连续性和接触面端点的奇异性;结合接触摩擦定律,继而构造出求解摩擦接触问题的无网格线性互补模型。在该方法中,接触面方程使用接触点对离散,全局离散系统方程则转化为标准的线性互补问题,可以很方便地使用Lemke算法求解。算例分析证明,本文方法的正确性和有效性。     

多块体接触有限元法及其对不连续面围岩的模拟

给出了一种求解多块体接触的有限元解法,即将接触面条件精确引入并以节点接触力为基本未知量,把高度接触非线性问题凝缩在可能接触面上进行。首先从两块体三维接触力学模型着手,从整体有限元方程导出增量形式的协调方程,在此基础上详细讨论了多块体接触协调方程的建立方法。随后以广义Mohr-Coulomb准则为摩擦力条件,给出了增量形式的定解和判定条件。程序实施时,针对三维接触问题滑动方向无穷的问题,同时对接触状态及滑动摩擦力分量进行判定,使得迭代收敛快速准确;对于多块体常见的非光滑接触,即角点问题,将角点分类,并根据角点实际的接触状态分情况给出了更为合理的处理方法。通过算例验证后的程序应用于不连续面地下洞室开挖模拟,取得了满意的结果。     

环状河道二维浅水流动的全隐数值求解方法

基于通用河网二维水流模式,采用全隐式矩阵追赶与回代技术,提出了环状河道单元二维数值模拟的通用模型。该模型仿照一维河网的建模方法,通过建立节点水位方程组,能方便地实现全流域二维河网或者一二维河网的隐式耦合求解。通过对长江下游南京八卦洲段分汊河道的数值模拟,表明该方法精度较高,切实有效,能满足实际工程的需要。     

RPIM求解点源二维变分问题的最优形状参数

径向基点插值法(RPIM)作为一种高精度的无网格方法,其形函数采用与径向基函数结合的插值方法构造,边界条件可直接加载。将RPIM用于点源二维变分问题的求解,介绍了RPIM的近似原理;推导了点源二维问题的RPIM总体矩阵表达式,简述了背景网格积分技术,研究了高斯点数目对RPIM计算精度的影响;最后通过数值试验得出了支持域无量纲尺寸α最优选择区间与RPIM形状参数最优值。研究结果表明:RPIM求解点源二维变分问题具有较好的鲁棒性,α最优区间为1.0~1.2。     

径向基函数配点法在分析承压和非承压地下水混合流动计算中的应用

采用径向基函数配点法建立承压和非承压地下水混合流动问题的数值模拟模型。模拟过程中针对非承压含水层出现的非线性的配点方程组,利用迭代法将其转化为线性的配点方程组,然后再计算求解。结果表明,迭代法对于非线性的配点方程组也是有效的;同时也说明了径向基函数配点法求解该问题不仅实施简单,计算效率较高,而且计算结果令人满意。     

二维位场向上延拓与向下延拓的样条函数法

本文用样条函数法实现了二维位场的向上延拓和向下延拓，向上延拓用样条函数法计算泊松积分，向下延拓用样条函数法求解第一类Ｆｒｅｄｈｏｌｍｔｍ积分方程。模型和实例计算表明，本文方法正确可行且精度高。     

二维位场向上延拓和向下延拓的样条函数法

本文用样条函数法实现了二维位场的向上延拓和向下延拓,向上延拓用样条函数法计算泊松积分,向下延拓用样条函数法求解第一类Ｆｒｅｄｈｏｌｍ积分方程。模型和实例计算表明,本文方法正确可行且精度高。     

A novel interface element with asymmetric nodes and its application on concrete-faced rockfill dam

Based on the Goodman element, the Guyan reduction method is introduced to develop the interface element with asymmetric nodes, which accomplishes the coarse-fine mesh transition between soil and structure in finite element models by providing a different number of nodes on the two sliding surfaces. The number of Gauss points is greater than that of the traditional Goodman element, which ensures its accuracy. The developed interface element is employed in the dynamic elasto-plastic analysis of CFRDs. The results indicate that the use of the constructed interface element can significantly decrease the number of elements with little influence on the accuracy.     

基于二维降阶Hermite插值的铁路路基动力响应2.5D有限元模拟

2.5D有限元方法在铁路路基动力响应研究领域中的应用渐趋广泛。针对其在求解随机不平顺条件下路基动力响应时计算效率显著下降的问题,构建了基于二维降阶Hermite插值的2.5D有限元路基动力响应快速计算框架。以路基在频率-波数域动力响应的基本特征为依据确定了插值原则,讨论了插值点分布和数量对插值精度的影响。研究表明：采用二维降阶Hermite插值方法可以实现随机不平顺条件下路基动力响应的快速计算。相比插值点非均匀分布,插值点均匀分布可以兼顾幅值和相位的插值精度,适应性更好。此外,该方法的计算效率仅与插值点数量相关,不受随机不平顺谐波数量的影响,在模拟随机不平顺条件下路基动力响应方面具备显著的优势。     

一种解岩土工程变形体-刚体接触问题的有限元法

大多数的岩土工程问题都会涉及到岩土体-结构之间的相互作用,它们之间界面的合理模拟对计算结果有重要的影响。目前常用的Goodman节理单元、Desai薄层单元等虽然简单好用,但也存在着明显的缺陷。相比之下,作为接触问题计算,可更为合理地模拟接触面的力学行为。针对变形体-刚体这种特殊的接触问题,应用变形体的虚功原理建立了相应的虚功方程,在此基础上得出有限元计算公式,并建立了弹塑性接触问题有限元计算的实现方法。通过对刚性条形基础基底压力分布和刚性挡墙土压力分布等算例的计算,验证了该法的正确性和求解工程问题的有效性。     

水平受荷壁板桩群桩的变分法分析

将壁板桩桩身水平位移用有限级数函数表示,地基土体的荷载位移关系用Mindlin点对点的位移解表示,同时考虑桩前水平土阻抗力和桩侧水平摩阻力沿桩周分布的不均匀性,采用双重高斯数值积分法将基于变分原理建立的壁板桩群桩体系的总势能展开为简单的矩阵形式方程,并根据最小势能原理得到水平受荷壁板桩群桩荷载位移关系的显式解答。与三维有限元方法计算结果的对比验证了所提出解答的合理性。     

低应变下变阻抗薄壁管桩动力响应频域解析解

管桩低应变完整性检测时,桩顶一点受到瞬态集中荷载的作用,其动力响应问题是一个三维波动问题。基于三维波动理论,建立了任意段变阻抗薄壁管桩动力响应的计算模型和波动方程,结合初边值条件,采用Laplace变换法求得了该波动方程的频域解析解,采用Fourier逆变换求得了时域响应。将计算结果与三维有限元结果进行了对比分析,解析解的计算结果和三维有限元结果较为接近,两者在入射波峰、缺陷反射峰和桩底反射峰处都较为吻合,两种方法位移响应曲线基本相同。给出了桩顶不同点的动力响应,并探讨了高频干扰问题。对变截面桩和变模量桩的动力响应特性进行了分析。     

双层介质中潜水井稳定渗流的有限单元分析

均质含水层中的自由水面(潜水)问题,虽然有各种各样的分析解和近似解,但对非均质条件还缺乏合理的解答。目前虽可采用虚构流网的概念相当准确地计算侧向补给情况的潜水井流量,但由于这种方法不能计算渗流场的水头分布,仍不易把它引用到不稳定渗流问题中去。     

A quadratic variation indirect boundary element method for traction boundary-value problems of two-dimensional elastostatics

Boundary integral equations for traction boundary-value problems of two-dimensional elastostatics are derived by the indirect boundary element method. Quadratic variation functions for the representation of geometry, fictitious forces and displacements over each boundary element are described. A system of equations approximating to the boundary integral equations is obtained by a Galerkin formulation in which the integral equation is written at Gauss integration points of elements. The method of computation of the Cauchy principal value is described. Examples of application to the analysis of stress and displacement around underground excavations demonstrate the accuracy and efficiency of the formulation.     

Numerical modelling of large deformations associated with driving of open‐ended piles

This paper presents a ‘Eulerian‐like’ finite element technique to simulate the large accumulated displacements of piles subjected to multiple hammer blows. For each hammer blow, results are obtained using a standard small strain finite element model and, at the end of each hammer blow, material flow is taken into account with reference to a fixed finite element mesh. Residual stresses calculated at the Gauss integration points of the deformed finite element mesh are mapped on to the fixed finite element mesh, and these stresses are used as initial stresses for the next hammer blow. At the end of each hammer blow, stiffness and mass matrices are recalculated for the volume of material remaining inside the fixed finite element mesh. Results obtained with and without allowing material to flow through the fixed mesh are compared for several hammer blows. Build up of residual stresses, soil flow and yielded points around the pile are presented for plugged, partially‐plugged and unplugged piles. Using the new finite element technique, the driving of a pile from the soil surface is studied. The ability to analyse this and other large deformation problems is the main advantage of the new finite element technique. Copyright © 2000 John Wiley & Sons, Ltd.