新型边界积分方程的无单元解及其应用

目前隧道及大型地下工程往往在裂隙岩体中开挖,而裂隙与地下空间的距离及裂隙的扩展条件,制约着隧道及地下工程的稳定性。应用能考虑孔洞和裂纹问题的新型边界积分方程与无网格加辽金法结合,建立一种新型的边界无单元法。在该方法中基本的未知量是由边界上的面力和边界上位移密度函数构成的复变量边界函数 。文中应用的边界积分公式和Muskhelishvili的积分公式直接相关。将无网格构造方法引入新型的边界积分方程,建立了新型的边界无单元法。应用该方法详细分析了含隧道和裂纹间相互关系等问题,其数值结果与解析结果吻合很好,说明该方法的正确性和可行性。     

冻土断裂力学在桩基冻拔稳定计算中的应用

对桩基冻拔的冻土工程问题进行了断裂力学分析,并给出简化模。在此基础上讨论了断裂判据以及应力强度因子的计算表达式。     

无单元伽辽金法及其在瞬态温度场中的应用研究

无单元伽辽金法(EFGM)采用移动的最小二乘法构造形函数,和有限元相比,它只需结点信息而不需要单元信息.简述了无单元法的基础理论,推导出瞬态温度场的无单元法计算公式,采用罚函数法引入了第一类边界条件,编制了相应的计算程序.通过应用于经典的瞬态温度场例子,和有限元结果作比较,说明了无单元法具有精度高、前后处理简单等优越性,是一种具有较大发展潜力的新数值计算方法.     

有限单元法三维电阻率最小二乘反演中存在问题的研究

针对有限单元法在三维电阻率最小二乘反演中关于深部单元的反演能力、反演稳定性和速度问题进行了讨论与改进.首先构造了全新的"体积因子"作为先验信息加入到电阻率反演中,使地质体赋存区域的电阻率变化更符合实际情况,提高了深度较大的地质体的分辨能力.反演计算中对实测电阻率数据和模型正演数据分别取对数,并改进迭代修正量的计算方法,将以前的加减修正量改为与修正量指数之积,这样,不但可以改进电阻率模型出现负值的缺陷,提高反演计算的稳定性,而且还可减少迭代次数;针对反演时间过长的缺陷,将三维全域反演改为三维局域反演,使每次迭代的时间由4 h减少到目前的15 min;对模型的反演计算表明,以上改进是非常有效的.     

二维大地电磁正演中的无网格算法

无网格法是近几年来发展的一种新的基于变分原理的数值计算方法,由于在计算形函数中不需要划分网格.在力学、电磁学等领域得到了广泛的研究.基于无网格法在大地电磁勘探正演中的应用进行了研究,首先对无网格法的基本原理进行了阐述,并利用广义变分原理推导出了相应的离散方程,编制了相应的程序,最后通过两个理论模型的计算结果检验了算法的正确性.     

无单元Galerkin法大地电磁三维正演模拟

无单元Galerkin法(EFGM)作为一种相对成熟的无网格方法,避免了网格剖分,其精度高,适用于复杂电导率分布和复杂边界形状的计算。本文将EFGM用于大地电磁三维正演,详述了三维EFGM形函数的构造过程,从大地电磁三维变分问题出发,利用Galerkin法结合高斯积分公式推导了相应的系统矩阵离散表达式,简述了边界条件的加载技术,研究了支持域尺寸对EFGM三维正演计算精度的影响,最后通过数值计算验证了EFGM三维算法的正确性。     

EFG法在土体固结中的应用

EFGM作为一种新的数值计算方法，具有只需节点信息而无段单元的特性，故在解固结方程方面有很大的优势。在计算分析中，此法容易构造固结方程的EFGM刚度矩阵和处理不同边界条件。对单面排水等条件的计算结果表明，EFGM在解决固结变形问题上，精度较高，处理边界准确。     

断裂力学中的数学方法

传统的强度设计思想无法解释越来越多的低应力脆断现象,原因在于它假定材料内部无任何裂纹或缺陷．而断裂力学对此能做出合理的解释,所以受到人们广泛关注．断裂力学的一个重要的任务就是求算K1．本文较全面地阐述了K1的求算方法,例如积分变换法、数值法和分形几何法．     

丹麦法稳健估计在隧道椭圆拟合中的应用

隧道断面在设计时为一标准圆形,受到施工及外部环境的影响变形为偏心率很小的椭圆。减小粗差影响、精确确定椭圆的几何参数是其研究的重点。通过对上海某一隧道断面的测量试验,得出用丹麦法稳健估计可以有效减小粗差的影响,而且拟合值可以很好地逼近无粗差情况下的最小二乘拟合值。采用Matlab 语言实现算法,并详细介绍了用二项式变换求解椭圆参数的方法。     

关于“塑性力学的一种新方法及在应力强度因子研究中的应用”的讨论

该文首先介绍了塑性力学问题求解的一种新方法,然后利用该方法讨论了断裂力学中的应力强度因子问题。该文存在基本概念上的问题,因而有必要加以讨论。该文提出的以下两个观点是不正确的: 1.“纯应力边界条件下的塑性力学问题,只要已有该问题的弹性力学解答,我们便可直接写出其弹塑性及完全塑性的应力解答,该解答完全同于弹性力学解答。这一结论是显然的”。     

杂交边界点方法求解动态断裂力学问题

结合杂交边界点法和双互易法则,推导出求解动力问题的纯边界类型无网格方法--双互易杂交边界点方法,并将该方法用于求解含中心裂纹的方板受瞬态载荷作用的问题。该方法将问题的解分为通解和特解两部分,通解使用杂交边界点法求解,特解则利用局部径向基函数近似,域内布点仅仅为了径向基插值,因此仍然是一种纯边界类型的无网格方法。同时,将移动最小二乘近似中的基函数扩充,使该方法能更好地模拟裂纹尖端应力场的奇异性,具有后处理简单、精度高的优点。数值算例表明了该方法的稳定性和有效性。     

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。     

拉剪应力状态下岩体裂隙扩展的断裂力学机制及物理模型试验

开挖卸荷岩体裂隙面通常处于拉剪应力状态。在裂隙应力和变形状态分析的基础上,采用线弹性断裂力学理论和物理模型试验研究了拉剪应力状态下裂隙扩展的力学机制。岩体裂隙在拉剪应力状态下沿裂隙面间的滑动抗剪摩擦力消失,裂隙起裂沿Ⅰ型张拉裂隙断裂韧度KⅠ最小的方向起裂,并最终发展与卸荷拉应力方向垂直;拉剪应力状态下岩体的总位移方向平行于拉应力方向,通过合理的位移假设,基于能量及线弹性断裂力学理论,求解了拉剪应力状态下分支裂隙扩展过程中尖端的动态应力强度因子和扩展长度判据;通过拉剪应力状态下单裂隙扩展物理模型试验验证了理论推导的正确性。     

岩体裂隙模拟的扩展有限元法应用研究

岩体中普遍存在着断层﹑节理和裂隙等结构面,这些结构面的存在和发展对岩体的整体强度﹑变形及稳定性有极大的影响。因此,研究岩体中原生结构面的萌生﹑发展以及贯通演化过程对评估岩体工程安全性和可靠性具有非常重要的理论与现实意义。扩展有限元法（XFEM）作为一种求解不连续问题的有效数值方法,模拟裂隙时独立于网格,因此,在模拟岩体裂隙扩展﹑水力劈裂等方面具有独特优势。针对扩展有限元法的基本理论及其在岩体裂隙扩展模拟中的应用展开了研究,建立了扩展有限元法求解岩体裂隙摩擦接触、岩体裂隙破坏等问题的数值模型,并将计算模型应用于岩质边坡稳定性分析和重力坝坝基断裂破坏等工程问题。     

基于瑞雷面波频散曲线反演的岩体力学参数求取方法

岩体力学参数是岩土工程中表征岩体力学性质的重要参数,应用二维傅里叶变换获得高信噪比的频散曲线,采用阻尼最小二乘法自动反演横波速度,进而计算岩体力学参数。结合内蒙古二连盆地瑞雷面波勘探实例,得到了动态岩体力学参数剖面,且在采集和处理参数选取合理的情况下,最大勘探深度可达120m。相比于其他岩体力学参数测试技术,瑞雷面波法具有快速、高效、经济、无榀的特点．     

水平集和无网格耦合法在裂纹扩展中的应用

提出了一种模拟裂纹扩展的水平集和无网格耦合方法。由于水平集和无网格方法都是建立在离散节点上,因而可以很自然地实现耦合。在该方法中,两个在裂尖处相互正交的水平集不仅用于描述裂纹的几何形态和裂尖位置,而且用于建立无网格伽辽金法（简称EFGM）不连续近似函数中的Heaviside跳跃项和裂尖处的Westergaard扩展项。当裂纹扩展时,则由水平集更新算法确定新裂纹的位置。水平集和无网格耦合法无需使用可视法、衍射法或透明法,克服了这些方法在裂尖处人为引入的不连续且能很好地再生 奇异场;而且节点影响域不受裂纹线切割的影响,在计算中往往使用较小的影响域,保持了整体刚度矩阵的带状、稀疏性;另外,水平集简化了扩展节点的选取和附加函数的建立,其更新过程无需求解演化方程,实现简单且易于编程。数值算例表明本文方法具有较高的计算精度,其模拟的裂纹扩展路径与试验结果吻合得很好,从而验证了本文方法的正确性和可行性。     

基于断裂力学的岩爆破坏形迹两级预测方法研究

根据常规的岩爆判据,可以确定岩爆的大致分布区域,但难以得到岩爆的破坏形迹（Damaged Shape of Rockburst,DSR）,为此根据岩爆的特点,推导了裂纹失稳扩展的临界长度和临界应力条件,提出了计算DSR的两级预测方法：通过裂纹失稳扩展时的临界应力,对DSR进行一级预测;在一级预测的DSR范围内加入预设裂纹,进行DSR的二级预测。针对断裂数值模拟方法的缺点,建立了基于扩展有限元（XFEM）模拟裂纹动态扩展的思路,依托ABAQUS平台,建立了XFEM二次开发的分析框架,编制了扩展有限元分析程序,进行了相关的实例验证;结合依托工程嘎隆拉隧道,从岩爆的机制、裂纹的数值仿真等方面开展研究,研究成果对高地应力地下工程的岩爆预测具有一定的参考意义。     

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。