用无网格伽辽金法求解稳定地下水流问题

详细介绍了无网格伽辽金法（EFGM）基本原理,并将其应用于非均质多孔介质中的稳定地下水流问题,用具体算例将无网格伽辽金法计算结果与传统有限元法（LFEM）计算结果作比较,计算表明无网格伽辽金法具有较高的精度。     

接触摩擦问题的数值模拟

无网格伽辽金法(EFGM)可脱离单元的概念,特别适合岩体裂纹面的接触摩擦分析。基于EFGM,在裂纹面引入罚参数,通过迭代计算,得到裂纹面真实的应力状态,从而模拟闭合裂纹的粘接、滑移和张开行为,数值结果表明该方法是合理可行的。     

工程计算力学中的正交基无网格方法

发现并研究了无网格伽辽金法(EFGM)节点不良分布以及采用一般高次多项式基构造形函数时产生数值解振荡的问题.提出工程计算力学的正交基无网格伽辽金法(MLMBOB),并以罚函数法引入强加边界条件,离散化得到偏微分方程的数值解.该方法保留了无网格伽辽金法所拥有的优秀品质,去除了其中的一些缺陷,使得用高次正交基作逼近时有高计算精度,它适合于工程计算中诸多计算问题.并用算例及其误差分析证实了该方法的优越性.     

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。     

裂隙岩体流固耦合双重介质模型的有限元计算

基于孔隙-裂隙岩体的双重孔隙介质流固耦合计算的微分方程,利用伽辽金有限元法提出的相应有限元公式,并基于岩体分类指标（RQD,RMR）提出了与岩体应力状态相关的渗透系数计算公式。编制了相应的有限元程序并给出了应用算例,将计算结果与相关文献作了比较,得出相关结论。     

含单个孔洞岩盐路基稳定性的无网格分析

用无网格伽辽金法计算了孔洞边缘危险点的应力。对含单个孔洞岩盐路基的稳定性进行了分析,给出了针对不同孔洞埋深的临界载荷。数值结果表明,EFGM对于解决含有单个孔洞的应力集中问题,是有效且灵活的。     

隧道开挖的双重介质水力耦合模型有限元分析

基于混合物理论孔隙-裂隙岩体的双重孔隙介质水力耦合计算的微分方程,利用伽辽金有限元法提出了相应的有限元公式,并基于岩体分类指标（RQD,RMR）提出了与岩体应变状态相关的渗透系数计算公式。编制了裂隙岩体双重介质流固耦合的2-D有限元程序,给出的验证算例表明,该程序是合理和实用的。同时将该程序用于隧道开挖的模拟计算,探讨渗流效应对开挖隧道围岩变形与渗流场的影响。计算结果表明,在隧道设计中不考虑渗流的影响是偏于不安全的。     

大体积混凝土温度裂缝扩展过程模拟

大体积混凝土的温度裂缝是关系到水电工程中混凝土大坝安全的重要问题,它贯穿混凝土坝的施工期直至运行期。重点探讨了应用无网格法求解大体积混凝土温度裂缝扩展过程的模拟方法。无网格法采用节点来离散求解域,特别适用于裂缝开裂过程的模拟。结合混凝土热传导问题推导了伽辽金无网格方法控制方程和基本算法步骤,编制了混凝土温度场计算和温度裂缝扩展过程模拟的无网格法程序,通过具体的算例验证了所编制的伽辽金无网格程序的正确性。数值算例的计算结果表明,无网格法能够有效地模拟混凝土块在温度应力作用下的开裂发展过程,计算结果符合大体积混凝土块在均匀温降和基础强约束条件下的裂缝分布规律。     

无网格伽辽金法(EFGM)在边坡开挖问题中的应用

无网格伽辽金法（ＥＦＧＭ）只需节点信息,不需将节点连成单元,具有精度高、后处理方便等优点。文中论述如何将该法用于边坡开挖问题,并给出相关算例。     

间断伽辽金法(DGM)求解弹性地基梁问题

间断伽辽金法使用节点位移一类未知数作为测试函数,削弱了内部单元边界上的一阶及n阶导数的连续性,大大降低了构造形函数的难度,特别适合控制方程为高阶微分方程问题的求解。基于间断伽辽金法的基本原理,推导了弹性地基梁四阶微分控制方程的积分“弱”形式,编制了计算程序,进行了数值计算和收敛性分析。计算结果表明：用间断伽辽金法求解弹性地基梁问题是十分有效率的。     

考虑非线性徐变的混凝土温度裂缝扩展过程模拟

混凝土温度应力超过相应龄期的抗拉强度一半时,混凝土的徐变变形不再与应力呈线性关系。采用一个混凝土非线性徐变模型来进行混凝土的温度应力计算,并给出了相应的算法。同时,吸取无网格方法在裂缝扩展模拟方面的优势,采用无网格方法对混凝土的温度裂缝过程进行了仿真计算。数值算例计算结果表明,所编制的无网格法程序具有较好的收敛性和可靠性,能够有效地模拟混凝土块在温度应力作用下的开裂发展过程,考虑混凝土非线性徐变效应后,在开裂时刻混凝土急剧增加的非线性徐变变形缓和了缝端的温度拉应力,使得相同龄期混凝土的裂缝深度和扩展速率要比只考虑混凝土线性徐变要小一些。     

危岩水力劈裂分析的扩展有限元法

危岩是三峡库区典型的地质灾害类型之一,而主控结构面受荷断裂扩展是危岩发育成灾的关键核心。将危岩主控结构面类比为宏观裂纹,利用扩展有限元法在模拟裂纹扩展方面的优势,基于考虑裂纹面水压力作用的虚功原理推导出了采用扩展有限元法分析水力劈裂问题的控制方程,给出了危岩主控结构面水力劈裂问题的扩展有限元实现方法,对重庆万州太白岩危岩主控结构面的水力劈裂进行了数值模拟分析。计算结果表明：暴雨是威胁危岩稳定性的最敏感因素,随着裂隙水压力上升,裂端拉应力会急剧升高,危岩的稳定性降低;I型裂纹扩展是危岩主要的结构面扩展形式,结构面一旦发生开裂,将处于非稳定扩展状态。     

石材亚临界裂纹扩展量测研究

在试验室进行裂纹稳定扩展及非稳定扩展的研究,其试验基座以楔形劈裂试验为基础改良而成,考虑材料的均质性,试验试体采用供铺设地板或建筑用外墙之天然石材。试验过程中利用裂缝应变片即时记录系统求出试体在稳定扩展及非稳定扩展下的裂纹扩展速度及其分形特性。结果表明,稳定扩展速度范围约在0.113～313.043 cm/s;非稳定扩展速度范围约在0.094～2 489.816 cm/s;亚临界分形维数范围约在0.994 3～1.036 6;起裂断裂韧性范围约在1.891 5～3.500 1 MPa?m1/2;分形亞臨界斷裂韌性范围约在2.063 6～3.712 8 MPa?m1/2。     

Crack propagation trajectories for rocks under mixed mode I-II fracture

Propagation of a crack in engineering materials including rocks can cause failure. Knowledge of the stress state under which a crack can propagate, and the trajectory it may follow during its growth are thus very important for the stability of rock masses/materials and for the safe design of structures in/on rocks. In this paper, the crack initiation angle and subsequent crack propagation path are experimentally investigated for limestone rock specimens. This investigation was conducted under various mixed mode I-II loading conditions, including pure mode-I and pure mode-II.This study includes conducting diametrical compression tests on notched Brazilian disk specimens. Moreover, the effect of confining pressure and temperature on crack initiation and propagation were also studied. The experimental results were compared with theoretical predictions of crack initiation angle. The results showed that limestone behaves in brittle fashion, and the effects of confining pressure and temperature on failure trajectories were not significant. Generally, the crack initiation angle can be predicted by the maximum tangential stress criterion. However, for notched Brazilian disk with high value of crack orientation with respect to loading direction, crack does not propagate from the tip of the crack. This important observation indicated that the tensile-strength failure can become more critical than the fracture-toughness failure.     

基于CT-CA的天然裂隙岩石受拉破坏特性研究

岩石内部存在的裂隙、孔洞等天然损伤对岩石的力学性能和破坏过程有重要影响,依据细胞自动机理论结合CT无损识别技术实现了含天然裂隙岩石在劈裂条件下裂纹扩展和贯通全过程及其力学性能变化规律的研究。从裂隙砂岩的真实细观结构出发,构建了天然裂隙岩石的数值计算模型,运用CASRock数值计算软件完成了含不同裂隙倾角的砂岩劈裂破坏的数值试验,分析了裂隙倾角对砂岩的力学特性、裂纹扩展过程及能量演化的影响规律。研究表明：(1)天然裂隙砂岩的抗拉强度与裂隙倾角密切相关,随着裂隙倾角的增加,其抗拉强度呈现先减小后增加的趋势;(2)裂隙起裂于天然裂隙尖端,当裂隙倾角0°≤θ<48°时,岩样的破坏是由错开型裂纹引起,裂纹沿着与天然裂隙近垂直方向扩展;当裂隙倾角48°≤θ<94°时,岩样的破坏是由张开型裂纹引起,裂纹沿着与天然裂隙近平行方向扩展;(3)劈裂过程中裂纹尖端应力场存在拉应力区和压应力区,拉应力造成翼裂纹由天然裂隙尖端沿加载端方向萌生扩展,而压应力则引发次生裂纹沿天然裂隙方向扩展;(4)含天然裂隙砂岩劈裂破坏过程能量演化可划分为4个阶段,随裂隙倾角的增大,峰值点处的总能量密度、弹性能密度先缓...     

基于裂隙扩展的多级岩质边坡开挖卸荷破坏路径分析

开挖卸荷作用下裂隙岩体边坡的破坏模式与路径分析是边坡工程灾害研究的热点之一,准确识别边坡的潜在破裂路径对工程安全施工和支护优化设计具有重要意义。依据断裂扩展分析方法,将裂隙扩展判别的理论方法开发并应用于数值模拟分析中,通过裂隙尖端应力强度因子计算、裂隙扩展模式识别、裂隙起裂角演算、裂隙扩展交汇等技术实现了岩体中断续裂隙的起裂、扩展与贯通演化过程的快速模拟;以某高速公路沿线裂隙岩体路堑边坡为对象,采用提出的模拟方法分析了多级开挖卸荷作用下坡体裂隙的扩展机制与边坡的破坏路径。结果表明：裂隙岩体边坡从上至下多级开挖过程中,坡肩裂隙首先起裂,并通过拉张型扩展逐渐发展为优势裂隙;随着边坡下挖,优势裂隙沿坡面向下逐步发生拉张/剪切混合型扩展并与既有裂隙交汇,在边坡中上部形成阶梯状扩展破坏路径;裂隙扩展至边坡下部及坡脚后扩展模式由拉张/剪切混合型转化为剪切型,并最终以弧形剪切面从坡脚出露。研究揭示了裂隙岩体边坡多级开挖卸荷作用下上部阶梯状拉张/剪切混合型破裂-下部弧形剪切型破裂的复合破坏模式,可为边坡工程支护设计和施工稳定性控制提供新思路。     

含交叉裂隙节理岩体单轴压缩破坏机制研究

对含交叉裂隙相似材料试件进行单轴压缩试验,用Abaqus对含交叉裂隙节理岩体进行应力分析,研究了含交叉裂隙节理岩体单轴压缩下的破坏机制。结果表明：交叉裂隙的主裂隙与加载方向呈30°、45°时,主裂隙是裂隙扩展及破坏的控制裂隙,此时含交叉裂隙岩体强度高于含单向裂隙岩体,是由于主裂隙裂尖最大环向应力σθmax低于单向裂隙;主裂隙与加载方向呈0°或90°时,次裂隙是控制裂隙;主裂隙与加载方向呈0°时,大部分次裂隙裂尖σθmax及裂尖最大应力强度因子KⅡmax高于单向裂隙,因此,此时大部分含交叉裂隙岩体强度低于含单向裂隙岩体;在主裂隙与加载方向呈90°工况组中,主、次裂隙夹角为45°时,次裂隙裂尖KⅡmax最大,所以此工况组中此时强度最低。     

岩石I型裂纹定向扩展规律试验研究

为精准获得岩石I型裂纹扩展演化全过程,采用一种简易裂纹定向扩展装置开展了不同岩性试样裂纹扩展试验研究,借助声发射及数字散斑技术对裂纹扩展全过程进行了监测,建立了裂纹定向扩展力学模型,分析了裂纹扩展过程中声发射及变形场的演化规律,提出了评价岩石I型裂纹扩展难易程度的能量指标CE,探讨了I型裂纹定向起裂扩展机制。结果表明：该简易裂纹定向扩展装置能够有效实现I型裂纹沿预定方向稳定扩展,其起裂角均小于10º,同时通过简化力学模型计算得到白砂岩、灰砂岩的裂纹扩展峰值强度与巴西劈裂抗拉强度相比偏差分别为22.76%、7.53%;根据变形场演化规律,可将裂纹扩展分为微裂隙发育（散斑变形场分区不明显）、主控裂纹孕育（散斑变形场出现分区现象）和主控裂纹扩展3个阶段;声发射演化过程可分为平静期、缓增期、急增期和降低期4个阶段,由于灰砂岩相较于白砂岩质地更致密、更坚硬,导致其声发射平静期长,而后3个阶段持续时间短;将载荷−位移曲线峰前与峰后的面积之比定义为评价岩石I型裂纹扩展难易程度的能量指标CE,计算得到灰砂岩、白砂岩的CE分别为13～16、1～2,表明CE可有效评价岩石I型裂纹扩展难易程度;岩石I型裂纹起裂扩展机制可概况为：在加载峰值前裂隙尖端受最大拉应力作用,存储的弹性能快速增加、耗散能缓慢增加,但在加载峰值后裂隙尖端存储弹性能超过其储能极限迅速释放,此时输入能大部分转化为耗散能促进主控裂纹快速扩展。后续将对裂纹定向扩展试验装置进一步优化改进,以期为裂纹扩展机制、岩石破坏前兆信息、裂纹止裂原理等研究提供一种新方法,同时为工程现场煤岩层定向爆破、压裂、止裂等相关技术优化提供理论指导。     

正交各向异性岩体裂纹扩展的扩展有限元方法研究

石油开采和非常规天然气开采等领域经常遇到页岩、砂岩等沉积岩,这类岩石材料往往具有正交各向异性特征。采用扩展有限元方法研究了正交各向异性岩体裂纹扩展问题,并基于Matlab平台编写了数值计算程序Betaxfem2D。将由复变函数法得到的裂纹尖端渐进位移场作为裂尖位移增强函数,用相互作用积分法计算混合模式应力强度因子,采用修改后的最大周向拉应力扩展准则确定裂纹扩展方向。与传统有限元方法的对比表明,扩展有限元方法达到相同计算精度需要的自由度少,节省计算机时。分别采用扩展有限元程序和传统有限元程序模拟了岩石试件4点弯曲试验,二者所得结果一致。数值试验表明：随着正交材料坐标系与空间坐标系夹角α的增大,裂纹扩展方向角? 按照周期为? 的近似正弦函数的规律变化;保持剪切模量和泊松比不变时,正弦函数的值域随着弹性模量比值E1 /E2的减小而缩小,但相位基本保持不变;研究沉积岩断裂力学问题时,岩石的正交各向异性特征不可忽略。