一种有限元转化为颗粒离散元的方法及其应用研究

为了充分发挥有限元与颗粒离散元各自的优势,提出了一种由有限元转化为颗粒流的方法。数值模型首先用较粗的有限元网格进行离散,并在单元上引入连续介质本构模型。力学计算开始后,实时跟踪各单元的应力状态。一旦某单元的应力满足Mohr-Coulomb准则或最大拉应力准则,删除该单元,同时创建具有一定数目、随机分布且微嵌入的颗粒簇。其后,该单元所在区域的非连续变形及失稳断裂由颗粒簇演化获得。各颗粒的质量、材料参数、速度、位移、接触力等信息根据插值从有限元单元中继承。为了实现有限元与颗粒流接触面的耦合计算,引入了点-棱（二维）及点-面（三维）接触模型,通过法向及切向弹簧实现接触力的计算。颗粒球与有限元板的碰撞分析、单轴压缩、岩石切割等案例展示了上述方法的精确性及合理性。     

岩土材料塑性损伤模型及拱坝的变形局部化分析

常规的弹塑性模型难以模拟材料破坏时由于内部损伤累积引起的变形局部化带形成过程。将岩土材料抽象为含有孔洞的球形体胞单元的集合体,采用一个标量--孔洞体积百分比来刻划单元的损伤程度,基于细观损伤力学提出了一个适用于岩土材料的塑性损伤模型。将该模型通过用户子程序嵌入到大型有限元商业软件MRAC中,研究岩土材料的局部化剪切带形成过程。采用该模型,成功地对平面应力条件下岩土材料单轴受压和单轴受拉试件的局部化破坏分别进行了数值模拟。采用该模型,对拱坝在超水载作用下的变形局部化进行了研究,数值计算结果表明,上游坝踵处最先发生变形局部化现象。     

基于颗粒组构特性的散体材料本构模型研究

通过散体介质材料单元颗粒排列组构表达的细观结构力学关系,建立了用颗粒密集度、颗粒排列组构关系和颗粒间摩擦特性等非连续介质材料特性参数描述的散体介质材料本构模型,从而实现散体介质材料宏观连续介质描述的等效应力表达.通过该模型可采用数值方法进行散体介质材料准静态情况下的力学特性分析.文中最后基于有限元软件ABAQUS,进行了该本构模型的二次开发.数值算例结果验证了所建立散体介质材料本构模型的适用性.     

基于地应力边界条件的复杂边坡抗滑桩支护设计研究

复杂边坡稳定性问题一直是岩土工程界重点研究的问题之一,提高复杂边坡安全系数的方法有很多,其中采用抗滑桩支护是常用手段之一。以安徽省某高速公路复杂边坡为研究对象,采用套孔应力解除法对该边坡岩土体进行了地应力测试,以测试结果作为有限元分析的边界条件,分别对该边坡加固前和采用抗滑桩加固后两种工况进行数值分析,得到有代表性的有限元分析结果;并对有限元的计算出位移结果和实测位移进行了对比。分析表明,未采用抗滑桩支护的边坡,会产生局部应力过分集中、整体变形和水平向位移较大、塑性区贯通等不利于边坡稳定的危险状况。采用了抗滑桩支护后,贯通的塑性区消失,边坡变形和位移减少,应力分布趋于均匀,安全系数大幅度提高。有限元计算出的位移结果和实测位移十分接近,匹合度较好,从而说明了有限元分析手段的可靠性。     

基于细观均匀化的膨润土有效热传导特性研究

基于均匀化方法和椭球夹杂问题基本解给出了非饱和岩土体的有效热传导特性模型。该模型可以考虑夹杂形态、体积分数和空间分布及夹杂间相互作用对有效热传导特性的影响,反映了由于非均匀夹杂引起有效热传导张量的各向异性特性。讨论了夹杂宽高比以及夹杂与基质热传导系数比对有效热传导张量各向异性系数的影响。将岩土体看作固体基质和孔隙夹杂构成的非均匀材料,探讨了岩土体有效热传导系数随孔隙形态、孔隙率和饱和度的变化规律。最后,应用上述模型对高庙子膨润土(GMZ01)有效热传导系数进行预测并与其他模型预测结果进行对比分析。研究表明,本文模型对GMZ01膨润土有效热传导系数具有较好的预测能力,但更准确的预测需根据膨润土的孔隙结构采用多层次均匀化方法。研究成果对于高放核废料深地质处置库缓冲材料的热-水-力耦合特性具有一定参考价值。     

模拟土体本构特性的热力学方法

简要介绍了建立岩土材料弹塑性本构模型的热力学方法。它不仅具有紧凑的数学结构,而且自动满足热力学定律,仅从两个热力学势函数,即自由能函数与耗散增量函数出发,就足以导出弹塑性理论必须的屈服条件,流动法则,硬化定律和弹性定律。通过理论证明指出,只要耗散增量函数依赖于当前应力,流动法则必然是非关联的,岩土材料的摩擦特性与非关联流动法则密不可分。介绍该方法在三维模型,岩土材料的微细观力学特性,应力应变的均匀化以及剪胀和各向异性方面应用的主要研究进展,并对一些重要的概念,诸如“储存的塑性功”,“Reynolds-Taylor状态”等,进行分析与解释。最后给出近期需进一步深入研究的几点建议。     

一种模拟堆石料颗粒破碎的离散元-比例边界有限元结合法

试验研究和数值模拟都表明,颗粒破碎对颗粒岩土材料的宏观力学响应具有重要的影响。结合离散元与比例边界有限元法,提出一种用于研究堆石料颗粒破碎行为的新的数值计算方法,可以将两种方法各自的优势同时发挥出来。离散单元法将被用于求解颗粒的运动以及相互作用。在每一个时间步尾,采用比例边界有限单元法计算颗粒内部的应力分布。比例边界有限单元法可以仅用一个任意边数的多边形来描述一个颗粒,大大节约应力计算的成本。当应力状态确定之后,Hoek-Brown准则将被引入用于确定颗粒内部的破坏点,当破坏点达到一定的比例时,即视为这个颗粒将破坏。为简化起见,假设破坏路径为直线,如果破坏发生,则该颗粒一分为二,各个新的颗粒将直接参与离散元和比例边界有限元的计算。该方法无需预定义任何子颗粒或网格重划分。最后以一个简单的双轴试验的模拟展现方法的可行性。     

基于黏弹性接触的颗粒材料蠕变特性研究

强黏结土体或胶凝砂砾石料等颗粒材料的颗粒间存在较大黏结力,在低应力情况下主要由颗粒接触特性决定颗粒材料的宏观蠕变特性。基于颗粒细观力学方法,研究了二维各向同性颗粒材料的蠕变特性。首先引入速率相关的力与位移关系描述颗粒材料细观颗粒间特性。其次,运用Laplace变换,将时间域内的线黏弹性颗粒材料细观均匀化问题转化为拉氏空间内线弹性颗粒材料细观均匀化问题,随后基于颗粒材料线弹性问题在Reuss、Voigt和一般位移场三种假设下的解,通过Laplace逆变换得到颗粒材料相应的宏观蠕变特性解析模型,并建立了材料蠕变特性的上下限。最后,通过理论模型的解析解与商业软件（PFC2D）的数值结果的对比,验证了理论模型的合理性。     

基于黏弹性接触的颗粒材料蠕变特性研究EI北大核心CSCD

强黏结土体或胶凝砂砾石料等颗粒材料的颗粒间存在较大黏结力,在低应力情况下主要由颗粒接触特性决定颗粒材料的宏观蠕变特性。基于颗粒细观力学方法,研究了二维各向同性颗粒材料的蠕变特性。首先引入速率相关的力与位移关系描述颗粒材料细观颗粒间特性。其次,运用Laplace变换,将时间域内的线黏弹性颗粒材料细观均匀化问题转化为拉氏空间内线弹性颗粒材料细观均匀化问题,随后基于颗粒材料线弹性问题在Reuss、Voigt和一般位移场三种假设下的解,通过Laplace逆变换得到颗粒材料相应的宏观蠕变特性解析模型,并建立了材料蠕变特性的上下限。最后,通过理论模型的解析解与商业软件(PFC2D)的数值结果的对比,验证了理论模型的合理性。     

岩土材料导热系数与孔隙率关系的数值模拟分析

采用有限元方法数值,模拟了岩土材料的导热系数与孔隙率之间的非线性关系。有限元模型中的固体骨架和孔隙根据孔隙率的大小随机生成,模型中的材料参数和单元属性用ANSYS中的APDL参数化语言赋值。根据有限元随机模拟断面的热流密度分布和稳态热传导傅立叶定律,计算在不同孔隙率条件下的等效导热系数。研究表明,岩土材料模型等效导热系数随着孔隙的增加而减小;并且当孔隙率大于逾渗值后,等效导热系数的减小梯度明显降低;含孔隙岩土材料的热传导特性与渗流一样具有逾渗特性。     

基于变分水平集方法获取岩石的细观结构

岩土工程材料的细观结构特征会在很大程度上影响其宏观力学行为。随着数字图像处理技术的逐渐成熟,基于变分水平集方法的偏微分方程（PDE）方法在图像处理中越来越受重视。在岩石数字图像的基础上,运用基于变分水平集方法的C-V模型,结合图像的背景填充技术实现花岗岩图片的3相分割（长石、石英和云母）,为进一步力学分析提供条件。上述方法可以量化岩石细观结构,最终获得能够准确反映岩石内部特征的图片,为将来的有限元分析提供真实几何模型。处理结果表明,通过选取适当的迭代次数和数字图像处理技术,该法能够获得较高质量的岩石细观结构量化图。     

基于CT三维重建与逆向工程技术的煤体数字模型的建立

为了建立能够表征煤体真实孔隙结构的数字模型,进而进行数值模拟研究,通过μCT225kVFCB高精度CT系统扫描得到了大柳塔煤矿长焰煤CT数据,可观测到的最小孔隙直径为1.94 μm。使用基于Matlab语言的三维重建程序结合逆向工程技术,提出了一种将煤体CT三维数据转换为CAD数字模型的方法。以Ansys建立的煤体有限元模型为例,对煤体瓦斯渗流进行了模拟,分析了煤体孔隙内的速度及压力分布规律,并计算了沿X、Y、Z方向的渗透系数。计算结果表明：在微观尺度下（< 100 μm）煤体渗透系数呈现各向异性,其受煤体结构的影响较明显。提出的基于CT三维重建结合逆向工程技术构建的煤体CAD数字模型不仅可进行有限元分析,同时也可以被EDEM等离散元分析软件所使用,拓宽了煤体CT三维数据的应用范围,丰富了煤体在微观尺度上的研究方法。     

An original semi‐discrete approach to assess gas conductivity of concrete structures

For civil engineering structures with a tightness role, structural permeability is a key issue. In this context, this paper presents a new proposition of a numerical modelling of leakage rate through a cracked concrete structure undergoing mode I cracking. The mechanical state of the material, considered in the framework of continuum mechanics based on finite element modelling, is described by means of the stress‐based nonlocal damage model which takes into account the stress state and provides realistic local mechanical fields. A semi‐discrete method based on the strong discontinuity approach to estimate crack opening is then considered in the post‐treatment phase. Using a Poiseuille's like relation, the coupling between the mechanical state of the material and its dry gas conductivity is performed. For validation purposes, an original experimental campaign is conducted on a dry concrete disc loaded in a splitting setup. During the loading, gas conductivity and digital image correlation analysis are performed. The comparison with the 3D experimental mechanical global response highlights the performance of the mechanical model. The comparison between crack openings measured by digital image correlation and estimated by the strong discontinuity method shows a good agreement. Finally, the results of the semi‐discrete approach coupled with the gas conductivity compared with experimental data show a good estimation of the structural conductivity. Consequently, if the mechanical problem is well modelled at the global scale, then the proposed approach provides good estimation of gas conductivity. Copyright © 2016 John Wiley & Sons, Ltd.     

3D finite element modeling of sand particle fracture based on in situ X‐Ray synchrotron imaging

Compressive loading of granular materials causes inter‐particle forces to develop and evolve into force chains that propagate through the granular body. At high‐applied compressive stresses, inter‐particle forces will be large enough to cause particle fracture, affecting the constitutive behavior of granular materials. The first step to modeling particle fracture within force chains in granular mass is to understand and model the fracture of a single particle using actual three‐dimensional (3D) particle shape. In this paper, the fracture mode of individual silica sand particles was captured using 3D x‐ray radiography and Synchrotron Micro‐computed Tomography (SMT) during in situ compression experiments. The SMT images were used to reconstruct particle surfaces through image processing techniques. Particle surface was then imported into Abaqus finite element (FE) software where the experimental loading setup was modeled using the extended finite element method (XFEM) where particle fracture was compared to experimental fracture mode viewed in radiograph images that were acquired during experimental loading. Load‐displacement relationships of the FE analysis were also compared with experimental measurements. 3D FE modeling of particle fracture offers an excellent tool to map stress distribution and monitors crack initiation and propagation within individual sand particles. Copyright © 2015 John Wiley & Sons, Ltd.     

数字图像测量技术在土工三轴试验中的应用

将数字图像测量技术应用于常规土工三轴试验,解决了常规土工三轴试验传统变形测量中的一系列难题。自主研发了三轴图像测量系统,发展历程可概括为3个阶段：（1）基于边缘识别的三轴试样变形图像测量,通过跟踪边缘位置的变化确定土样的径向变形,识别橡皮膜上的白色标志线确定土样的轴向变形;（2）基于角点识别的三轴试样变形图像测量,用方形标志块将橡皮膜表面离散成若干单元,测量跟踪单元每一角点（节点）的位置,可得任意时刻的土样表面节点的位移,应用有限元技术,可以得到土样表面的位移（变形）场和应变场;（3）三轴土样变形全表面数字图像测量,以基于角点识别的前表面三轴试样变形测量为基础,增设一组平面镜,用一台摄像机实现了圆柱体土样360度全表面的变形测量,得到每一时刻的表面变形场和应变场。三轴土样变形数字图像测量系统具有传统测量方法无可比拟的优点,对于推动土力学,特别是土的本构关系研究具有重要价值。     

基于变形数字图像处理的土体拉伸试验装置的研发与应用

研究黏土的抗拉性能对于认识离子固化剂改性黏土的黏聚力等力学性能有着重要的意义。针对现有拉伸测试装置的不足,设计研发了一套基于变形数字图像处理的土体材料拉伸试验装置,该装置包含应变控制模块、加载夹具模块、数据采集模块和数字图像处理模块。改进了现有加载夹具的不足,将土样形状设计为“8”型并运用FLAC3D有限元数值计算软件验证其合理性,巧妙地解决了夹具与土样之间的连接问题,并且将加载夹具功能与制样盒功能合并,避免了试样转移过程中可能受到的扰动。新增了图像采集装置,记录土样变形破坏过程,基于Geo-PIV数字图像处理软件分析土样试验过程中的变形规律。应用该装置开展了素蒙脱土及不同配比离子固化剂减小蒙脱土黏聚力对比试验研究,研究结果表明：拉伸仪能精确控制、采集土体的抗拉强度。粒子图像测速（particle image velocimetry,简称PIV）分析结果客观、真实地表明,试验过程中土样处于受拉状态,并且土样受加载夹具夹持的部位并未出现明显的应力集中现象;离子固化剂改性蒙脱土抗拉强度以及拉伸变形模量较未改性土低,降低程度随离子固结剂溶液浓度增大而增大;数据采集装置对应力、应变信息变化敏感。试验结果和数字图像结果表明,所设计的拉伸试验装置具合理性、可靠性以及敏感性。     

基于数字图像像素单元建立准三维FLAC3D模型

在实际应用中,即使是建立较为简单的不规则准三维模型,FLAC3D也存在一定难度,因此,提出了一种快速建立FLAC3D准三维模型的方法,即基于数字图像像素单元的位置属性建立FLAC3D准三维模型,并根据像素单元的颜色属性对所建立模型进行分组,以便实现对模型单元赋予不同属性材料或者建立不同功能模块（如开挖、回填）。借助上述思想,采用Visual Basic语言编写了IMAGE-FLAC3D接口程序,实现了FLAC3D软件建模的直观、快速和自动化。通过建立土石混合体有限差分模型和库岸滑坡有限差分模型,检验了该方法及程序的有效性和可行性。在此基础上,借助强度折减法对所建立库岸滑坡模型进行稳定性分析,分析结果与极限平衡法所得结果相近,说明了所建模型的可计算性。该方法可作为数字图像服务于岩土工程的典型范例。     

基于图像检索技术的岩石单轴压缩破坏过程CT描述

基于X射线的CT扫描技术,因其具有多层位、对同一岩石试件可连续、无损扫描等优点,在岩石力学与工程研究中得到了广泛应用。对岩石单轴压缩破坏过程进行实时CT扫描,也是岩石力学研究的重要内容之一。针对三维显微CT试验系统实时监测煤岩单轴压缩破坏过程中,因位移误差会引起扫描层定位不准确,进而影响试验结果这一基本问题,提出了基于图像检索技术的CT扫描图像处理方法。通过对煤岩试样在单轴载荷作用下破坏过程的CT实时监测,并引入基于Manhattan距离的相似性计算方法,检索出岩石试件同一层位在不同应力状态下的相似扫描层。结果表明,采用图像检索的方法,可以有效地减小煤岩在加载破坏过程中位移误差的影响,更好地通过CT图像来描述煤岩在不同应力状态下的微裂纹分布状况和演化规律,从而在细观层次上揭示岩石在单轴压缩条件下破坏的基本规律。     

Inference of in situ stress from thermoporoelastic borehole breakouts based on artificial neural network

The determination of in situ stresses is very important in petroleum engineering. Hydraulic fracturing is a widely accepted technique for the determination of in situ stresses nowadays. Unfortunately, the hydraulic fracturing test is time-consuming and expensive. Taking advantage of the shape of borehole breakouts measured from widely available caliper and image logs to determine in situ stress in petroleum engineering is highly attractive. By finite element modeling of borehole breakouts considering thermoporoelasticity, the authors simulate the process of borehole breakouts in terms of initiation, development, and stabilization under Mogi-Coulomb criterion and end up with the shape of borehole breakouts. Artificial neural network provides such a tool to establish the relationship between in situ stress and shape of borehole breakouts, which can be used to determine in situ stress based on different shape of borehole breakouts by inverse analysis. In this paper, two steps are taken to determine in situ stress by inverse analysis. First, sets of finite element modeling provide sets of data on in situ stress and borehole breakout measures considering the influence of drilling fluid temperature and pore pressure, which will be used to train an artificial neural network that can eventually represent the relationship between the in situ stress and borehole breakout measures. Second, for a given measure of borehole breakouts in a certain drilling fluid temperature, the trained artificial neural network will be used to predict the corresponding in situ stress. Results of numerical experiments show that the inverse analysis based on finite element modeling of borehole breakouts and artificial neural network is a promising method to determine in situ stress.