面向对象三维有限元分析程序的研究和实现

计算分析在岩土工程应用和研究中占有相当大的比重。传统的结构化编程方式需花费大量工时 ,而且在可扩充性和代码可重用性方面也受到许多约束。因此 ,将面向对象编程技术应用于有限元程序编制正成为岩土工程计算程序设计的主流。将面向对象有限元方法引入三维有限元程序 ,用C ++语言编制了一个筏板基础与地基共同作用有限元分析程序 ,作为对有限元新方法的一次有益尝试     

Biot固结理论在地面沉降计算中的应用

在回顾地面沉降研究现状的基础上,提出采用Biot固结理论进行由降水形成的渗流场与应力场的耦合分析,并运用二维Biot固结平面有限元程序计算因开采地下水而引起的地面沉降问题,最后通过工程实例验证了该方法的可行性。     

面向对象有限元方法在岩土工程中的应用

介绍了面向对象的程序设计方法和它与有限元程序相结合的原理和优点,提出了这种方法在岩土工程中的应用实例,并设计了基于Windows 95/98平台的有限无软件。利用面向对象的方法来研究有限元,是对有限元方法新的有益尝试。     

面向对象技术在勘察软件开发中的应用

将面向对象程序开发技术引入到岩土工程勘察软件开发中，并给出继承性及多态性在系统设计中的具体应用，拟在简化勘察软件的系统开发。     

深基坑大变形耦合分析与数值模拟

深基坑开挖的时空效应既与深基坑工程支护设计、施工方案有关,又依赖于场地岩土介质的工程特性。依据Biot固结理论与有限变形的理论基础,采用经典的变分原理方法推导了基于大变形Lagrangian描述的U. L方法--Biot固结理论耦合系统方程及其有限元数值模拟方法。根据工程实例进行大小变形计算的比较以及深基坑开挖的时空效应分析,得出开挖时空效应显著、小变形计算的安全性不足的结论。     

岩土工程CAD系统建模技术的研究

论述了在开发CAD系统中引入面向对象的设计思想的优点,结合开发岩土工程CAD系统实例,对其中的关键技术--系统建模进行了分析,并就建立一般的系统模型技术进行了探讨。同时,给出了必要的代码,提供给相关程序开发者借鉴。     

油藏多相渗流的面向对象有限元程序设计

近年来,面向对象的编程技术越来越受到人们的重视,并用来解决和模拟各种物理问题和工程问题,特别是在有限元方法编程和模拟中得到了广泛地应用。介绍了面向对象的程序设计方法和它与有限元程序相结合的原理和优点。在此基础上提出了面向对象有限元方法在油藏多相渗流中的应用实例,并按照面向对象的程序设计方法,基于Windows XP平台采用Visual C++.NET语言,建立了有关描述多相渗流的有限元模型的类,给出了类的描述和它的实现方法。建立的相关类及其实现方法主要包括处理矩阵计算的类、节点类、单元类、材料类、形函数类等。据此编制了油藏多相渗流的有限元分析的数值计算程序,并给出了一个数值实例。     

多层地基非轴对称Biot固结的理论解

提出了一种新方法来推导多层地基非轴对称Biot固结问题的传递矩阵,相应的理论推导工作量较少。基于柱坐标系下非轴对称Biot固结的基本方程,通过引入中间变量,并对坐标 进行Fourier级数展开,对时间 和坐标 进行Laplace-Hankel变换,得到了6×6阶和2×2阶的两组常微分方程;然后,两组常微分方程进行关于 的Laplace变换和逆变换,得到了单层地基非轴对称Biot固结问题的传递矩阵;结合边界条件和连续条件,运用传递矩阵法得到多层地基非轴对称Biot固结问题在Laplace-Hankel变换域内的解,通过Laplace-Hankel逆变换得到了该问题物理域的真实解答。编制了计算程序,并进行了数值计算与分析。该方法具有计算速度较快的特点,方便工程应用。     

基于遗传算法的岩土力学参数反演及其在 ABAQUS中的实现

岩土工程优化反分析是一个典型的复杂非线性函数优化问题,采用全局优化算法是解决这个问题的理想途径。结合ABAQUS有限元软件,提出遗传算法与有限元联合反演法,将有限元程序作为一个单独模块嵌入到遗传算法程序中,以测点的实测值与计算值建立误差函数,编制了遗传算法反演分析程序。并给出应用实例验证了该法的有效性,表明该方法可应用于岩土工程中的反演分析工作。     

基于遗传算法的土性参数估计

在土工问题的研究和分析中，土性参数的合理估计非常重要，根据工程中实测值反演土性参数不失为一种有效会计参数的新思路，文章采用遗传算法并结合Biot固结有限元数值法对一假设路堤的双层地基的一些主要土性参数进行反演，结果显示误差很小，收敛速度也很快，说明遗传算法这种新型的优化算法在土性参数优化估计中具有精度高、反演快的优越性，克服了传统优化方法一些缺点，因此值得在岩土工程领域参数优化中推广。     

面向对象有限元程序设计及其VC++与Matlab混合编程实现

应用面向对象方法来研究有限元,是对有限元新方法的有益尝试和创新性发展。通过对比面向过程和面向对象的程序设计方法,讨论了面向对象方法与有限元程序设计相结合的优点,并简要回顾了国内外面向对象的程序设计方法的研究进展。应用面向对象的程序分析方法,建立了三维脆塑性有限元分析类库。采用VC 和Matlab混合编程的手段,设计了基于Windows98/2000/NT操作平台的面向对象的三维脆塑性有限元分析软件,成功地分析了国内某大型水电站地下硐室群围岩稳定性,验证了该面向对象有限元分析程序的有效性和实用性。     

土体固结弹塑性分析的参数二次规划理论及有限元解

基于广义Ｂｉｏｔ理论对土体弹塑性固结过程进行求解，建立了问题对应的参变量变分理论，并给出了数学证明，对此基础上推导了有限元分析列式，问题的求解最终化为参数二次规划问题，本文提出的方法适用于固结弹塑性分析的关联与非关流流动问题，也可处理各类软化问题。     

Analysis of A Braced Excavation In Soft Soils Considering The Consolidation Effect

The studies of excavations in soft clayey soils are normally based on undrained total stress analyses. A better approach consists of taking into account the effects of consolidation during the excavation-bracing process and after the completion of the construction by means of coupled finite element analyses in effective stresses. In this paper, the geotechnical behaviour of a braced excavation in the soft soils of San Francisco (USA) is analysed, both during and after the construction period. Numerical analyses are performed with a finite element program, which incorporates the Biot consolidation theory (coupled formulation of the water flow and equilibrium equations) and soil constitutive relations simulated by the p-q-θ critical state model. Numerical results are compared with field results.     

在ABAQUS中开发实现Duncan-Chang本构模型

美国HKS公司开发的软件产品ABAQUS是目前世界上最强大的非线性有限元分析工具之一。该软件包括了众多材料本构模型,但尚缺少国内外土工数值分析中广泛采用的Duncan-Chang本构模型。这一缺憾影响了ABAQUS软件在土工分析中的应用范围。本文旨在介绍ABAQUS中开发Duncan-Chang材料本构模型实现方法,给出了开发过程的概要,完成了两个典型常规三轴压缩模型问题数值测试。结果表明：在ABAQUS中增加Duncan-Chang材料本构模型后,不仅可以充分地利用该软件强大的非线性求解平台,而且还有可能完成复杂土工应力应变的有限元数值分析问题,同时,具有计算速度快、计算精度高和前后处理快捷方便的优点,极大地降低了土工分析程序开发的难度,并减少了维护工作量。     

岩土工程亿级单元有限元模型可扩展并行计算

讨论了亿万单元有限元模型的可扩展并行计算方法。从软件和硬件两个方面提出了前处理、并行计算方法、程序算法、后处理实现等核心问题的解决方案。采用网格加密方法生成一亿单元的有限元模型,利用对偶原始有限元撕裂内联法（FETI-DP）求解系统方程。基于图论理论建立了子区域间的通讯拓扑关系,实现了子区域间点对点通讯,避免速度慢、通信量大的全局通讯。在自主开发程序基础上,增加相应模块,采用面向对象编程技术和MPI消息传递库开发程序。对一个一亿多单元的工程实例运用5 000核并行计算,得到了超线性加速比。计算结果在专用图形工作站上进行后处理,显示和交互操作速度良好。研究在两方面实现了突破：一是将模型规模提高到了一亿多单元;二是同时调用了5 000个计算核来并行运算,并得到了很高效率。高分辨率有限元并行模拟研究成果可为岩土工程中结构特别复杂、计算区域特别大、地质情况复杂等模拟提供很好的技术方法和实现手段。     

ADINA有限元软件中材料本构的二次开发

美国ADINA R&D公司开发的软件产品ADINA经过20多年的商业开发,目前已成为全球最重要的非线性求解软件,尤其对结构非线性、流-固耦合等复杂问题的求解具有强大优势,被认为是非线性有限元发展方向的先导。然而,任何商业化的有限元软件都不可能满足客户的所有要求,例如,ADINA软件中没有岩土工程领域常用的Duncan-Chang模型。以土工数值分析中广泛应用的Duncan-Chang E-B模型为例,介绍在ADINA软件中进行材料本构二次开发的方法,给出了开发过程,通过对3个常规三轴压缩模型的数值模拟验证程序的可靠性。结果表明,基于ADINA开发的材料本构模型具有计算速度快、精度高和前后处理快捷方便的优点。另外,验证结果也表明该软件具有超强的非线性求解能力和可靠的求解结果。     

Consolidation analysis of non-homogeneous soil by the weak form quadrature element method

A weak form quadrature element formulation for consolidation analysis of non-homogeneous saturated soil is established based on Biot’s theory. Numerical examples are given, and the results are compared with the analytical solutions available or those from the commercial finite element software ABAQUS, demonstrating accuracy and rapid convergence of quadrature element solutions. The disparity between various treatments of non-homogenous soil is discussed, and the effectiveness and advantages of the quadrature element formulation in consolidation analysis of non-homogeneous soil are demonstrated.     

软土深基坑变形性状的时间效应研究

扩展比奥固结理论的应用范围,研究土体固结及蠕变对基坑的影响.利用ABAQUS有限元分析软件,计算某实例基坑的有限元值,分析深基坑超静孔压和围墙水平位移的变化规律.结果表明,考虑到时间效应的有限元值更接近连续护墙水平位移实测值.