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。     

关于岩土工程有限元分析中的若干问题

就有限元法在分析岩土工程问题时所涉及的几个问题，即可变区域边值问题的提法问题，初始地应力场问题，开挖载荷问题，渗透作用力问题等展开了讨论，指出了目前在计算中所存在的一些问题并同时给出了相应的解决方案。     

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。     

岩土工程百万以上自由度有限元并行计算

讨论了大规模有限元并行计算需要解决的并行策略、大量数据的分布存储、方程组迭代求解和程序实现等问题。采用区域分解的“分而治之”的并行策略实现有限元并行。结合区域分解并行策略，将每个子区域的数据信息存储在相应的各个计算机上，实现存储局部化，大大减少并行计算中的通讯量，同时可以实现大规模计算。采用Schur补和共轭梯度法来实现方程组的并行求解，解决岩土有限元病态方程组的求解。采用面向对象的编程技术开发了并行有限元程序。对两个大规模算例进行了并行计算，得到了较好的结果。     

反分析在岩土工程中的应用

众所周知,岩体是极其复杂的地质体,它具有非均质各向异性特点,故工程一般都要通过大量的试验测定,来确定岩体应力场和其它力学参量,不但费工费时,而且往往很难得到理想的效果。本文在国内外成果研究的基础上,应用力学计算理论,根据工程部份变形观测资料,反演确定宽域的初始地应力和弹性模量值。反分析可以大大减小试验工作量,达到相互验证,提高工程效应。并通过实例计算,说明对工程具有一定的实用价值。     

三维数值分析在岩土工程应用中的误差问题

岩土工程本身的复杂性使岩土工程的三维模型分析结果与实际有一定的误差。利用已有的工程反馈资料,对模型参数进行反演分析。修正易调整的误差因素,来弥补不易调整的误差因素,将模型计算结果的最终误差降到最小。将得到的反演参数用于下一阶段的模型分析,由此获得的三维计算结果更接近真实值。     

岩土工程评价中的参数插值计算方法

本文从一个简单的实例,提出了岩土工程勘查评价中的参数插值计算问题,简介了一、二元函数的拉格朗日插值方法,并以实例进行了演算,达到了让野外技术人员了解插值方法的目的。     

三维粘弹塑有限元分析在隧道工程中的应用

通过三维粘弹塑有限元计算，分析了靠椅山双向隧道与行车横洞在开挖施工过程中，考虑初期支护和二次衬砌作用下围岩的流变变形特征及其稳定性。     

应力路径分析在岩土工程中的应用

本文简单回顾了应力路径分析的研究历史，阐述了总应力路径和有效应力路径的关系、功用和方法。并以常见的岩土工程问题为例进行分析，得出土的应力－应变依赖于应力路径，应力路径的分析将推动岩土工程学科向前发展的结论。     

科学计算软件在岩土工程计算中的应用

计算机技术的发展和许多诸如MATLAB和ANSYS科学计算软件的出现,为岩土工程技术人员在解决岩土工程问题时提供了新思维和新方法,相信科学计算软件必将成为岩土工程技术人员的得力助手.     

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。     

A finite element approach to solve contact problems in geotechnical engineering

This paper presents a finite element approach to solve geotechnical problems with interfaces. The behaviours of interfaces obey the Mohr–Coulomb law. The FEM formulae are constructed by means of the principle of virtual displacement with contact boundary. To meet displacement compatibility conditions on contact boundary, independent degrees of freedom are taken as unknowns in FEM equations, instead of conventional nodal displacements. Examples on pressure distribution beneath a rigid strip footing, lateral earth pressure on retaining walls, behaviours of axially loaded bored piles, a shield‐driven metro tunnel, and interaction of a sliding slope with the tunnels going through it are solved with this method. The results show good agreement with analytical solutions or with in situ test results. Copyright © 2005 John Wiley & Sons, Ltd.     

六面体单元等参逆变换的一种迭代解法

提出了六面体等参逆变换的一种迭代解法,它不仅克服了三维问题中线性迭代格式因初值不同而不能保证收敛的缺陷,而且也避免了求解高次方程,只需进行简单的迭代就可以方便求出局部坐标。     

Genetic algorithms in probabilistic finite element analysis of geotechnical problems

In application to numerical analysis of geotechnical problems, the limit-state surface is usually not known in any closed form. The probability of failure can be assessed via the so-called reliability index. A minimization problem can naturally be formed with an implicit equality constraint defined as the limit-state function and optimization methods can be used for such problems. In this paper, a genetic algorithm is proposed and incorporated into a displacement finite element method to find the Hasofer–Lind reliability index. The probabilistic finite element method is then used to analyse the reliability of classical geotechnical systems. The performance of the genetic algorithm (GA) is compared with simpler probability methods such as the first-order-second-moment Taylor series method. The comparison shows that the GA can produce the results fairly quickly and is applicable to evaluation of the failure performance of geotechnical problems involving a large number of decision variables.     

模拟三维裂纹问题的多尺度扩展有限元法

扩展有限元法模拟裂纹时独立于网格,因此该方法是目前求解裂纹问题最有效的数值方法。为了在计算代价不大的情况,实现大型结构分析中考虑小裂纹或提高裂纹附近精度,在裂纹附近一般采用小尺度单元,其他区域采用大尺度单元。提出了分析三维裂纹问题的多尺度扩展有限元法,在需要的地方采用小尺度单元。基于点插值构造了六面体任意节点单元。所有尺度单元都采用8节点六面体单元,这样六面体任意节点单元可方便有效地连接不同尺度单元。采用互作用积分法计算三维应力强度因子。边裂纹和中心圆裂纹算例分析结果表明,该方法是正确和有效的。     

An edge-based strain smoothing particle finite element method for large deformation problems in geotechnical engineering

To solve large deformation geotechnical problems, a novel strain-smoothed particle finite element method (SPFEM) is proposed that incorporates a simple and effective edge-based strain smoothing method within the framework of original PFEM. Compared with the original PFEM, the proposed novel SPFEM can solve the volumetric locking problem like previously developed node-based smoothed PFEM when lower-order triangular element is used. Compared with the node-based smoothed PFEM known as “overly soft” or underestimation property, the proposed SPFEM offers super-convergent and very accurate solutions due to the implementation of edge-based strain smoothing method. To guarantee the computational stability, the proposed SPFEM uses an explicit time integration scheme and adopts an adaptive updating time step. Performance of the proposed SPFEM for geotechnical problems is first examined by four benchmark numerical examples: (a) bar vibrations, (b) large settlement of strip footing, (c) collapse of aluminium bars column, and (d) failure of a homogeneous soil slope. Finally, the progressive failure of slope of sensitive clay is simulated using the proposed SPFEM to show its outstanding performance in solving large deformation geotechnical problems. All results demonstrate that the novel SPFEM is a powerful and easily extensible numerical method for analysing large deformation problems in geotechnical engineering.     

自然单元法在岩土工程中应用两例

自然单元法(NEM)是较近出现的一种无网格方法,其形函数兼有无网格的特点和传统有限元的优点,是一种理想的适合岩土工程问题计算的新型数值方法。介绍了自然单元法的基本原理和特性,并讨论了其在岩土工程中的具体应用。将Goodman单元引入自然单元法以实现对不连续面的模拟,研究表明,在NEM中加入节理单元的总体原则和具体的实施细节与FEM中完全相同;而在一般的无网格方法中,则稍微复杂一点。为了实现对岩土工程中常见的无限域或半无限域问题的模拟,引入了无界单元;由于自然单元法的特性,自然单元法和无界元可实现无缝“耦合”。具体的数值算例验证了上述思路。     

岩土工程分析中的非协调模型及其应用

针对岩土及地下工程结构的特点,基于修整后的位移型Reissner泛函中引入独立转动场的变分原理,转动场采用结点真实转角来插值。结合平面四结点单元讨论了有效附加非协调位移的合理形式,引入适用于任何四边形单元的非协调位移函数,建立了一种带转动自由度的平面四结点内参型非协调元模型,给出了相关数值计算列式。四结点单元能通过分片检验,并易于与带转动自由度的梁单元相容,对若干算例及地下隧洞工程实例计算的数值结果表明,采用所建的计算模型,具有较高的计算精度,为岩土及地下工程结构计算提供了一种理想的数值分析方法。