GIS在边坡有限元数值分析前处理中的应用

有限元数值分析是边坡稳定性研究中较为常用的定量分析方法,但有限元分析的前处理工作通常比较繁琐,从而影响了该方法的整体工作效率。利用GIS软件实现了从计算剖面确定、计算剖面自动绘制到网格自动剖分的全部前处理过程。有效提高了边坡有限元计算的前处理工作效率,同时也提高了计算剖面图的科学性和边坡评价的准确性。     

一种基于CATIA软件进行地质建模与有限元计算的前处理方法及其应用

使用CATIA软件所建立的复杂地质模型,很难直接用于有限元计算,需要对所建立的模型进行前处理。提出了一种前处理方法:应用岩土参数加权平均法,并结合工程地质分析、有限元计算原理和拓扑学分析方法,对CAITA软件所建立的复杂地质模型进行前处理。该前处理方法既能近似地反映出地质条件,又能达到有限元分析的要求,从而可保证分析结果的准确可靠性。通过对四川某滑坡的地质建模与有限元计算,对该前处理方法进行了实例验证,取得了良好效果。     

面向对象自适应渗流有限元分析软件的研究和实现

采用面向对象技术,应用C++研制了一个自适应渗流有限元分析系统。该软件系统的前处理过程用对象化建模,具有实现方便,界面友好的优点。自适应有限元模块的引入使该系统具有规范性和客观性,计算结果不会因人而异,且后处理界面形象直观。笔者还给出了一个土坝渗流的实例,验证了该软件的可用性和优点。     

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。     

一种适用于岩土力学无界域的有限元与边界元耦合法的具体实现

针对有限元与边界元耦合法在岩土力学无异域中应用的具体实现问题进行了研究，提出了在微机上实现的具体措施和需建立的程序模块，将有限元与边界元耦合法计算结果、有限元计算结果与理论解析解进行了比较。     

偏压连拱隧道围岩稳定性分析与现场监控量测

针对偏压连拱隧道围岩稳定性问题,采用GeoStudio软件的SIGMA模块进行数值模拟,以数值模拟的计算结果作为判断围岩稳定性的控制指标,结合现场压力盒进行监控量测,并利用加权回归分析方法对监测数据进行处理,得出各监测点实测围岩稳定压力。通过对数值模拟结果与现场监测数据的对比分析,可知隧道围岩处于稳定状态。结果表明,利用有限元对隧道进行数值模拟和加权回归分析对监测数据进行处理,两种方法相结合对判断偏压连拱隧道围岩稳定性具有很好的效果。     

基于ParaView的Abaqus有限元输出结果的可视化与虚拟现实

Abaqus~?是最常用的商业有限元软件之一,但后处理模块Abaqus/CAE的可视化功能较弱,处理海量数据时卡顿十分明显、功能受限且不稳定。为此给出一个解决方案:编写Python程序——ODB2VTK+将Abaqus输出的ODB文件转换为VTK格式,然后利用ParaView进行可视化。ODB2VTK+提供基于空间的剖分算法,将海量数据重新组织成适于并行可视化的形式,实现效果好、数据冗余小;通过并行程序设计提升了处理效率;提供配置文件以方便转换参数设置。利用CT成像重构的三维岩芯精细模型力学模拟输出结果进行测试,ODB2VTK+实现了正确的转换;借助ParaView并行可视化的能力以及体渲染、张量符号等功能,实现高效的可视化后处理;通过VR头盔进行沉浸式的交互,实现自由进出模型内部孔隙观察分析的效果。提出的方案弥补了Abaqus/CAE可视化后处理存在的明显不足,为有限元后处理分析提供了有力帮助,并显示了虚拟现实在后处理中良好的应用前景。此外,ODB2VTK+具有良好的可扩展性,经过简单改写可以适用于更多应用情况,为方便同行使用,将其共享于Git Hub(https://github.com/Liu-Qingbin/ODB2VTKplus)上。     

考虑松动圈的卡尔曼滤波与有限元耦合反分析法及其在围岩稳定性分析中的应用

考虑洞室开挖后围岩的力学状态和岩石力学众多问题的不确定性本质,通过弹性模量折减的方法,建立了考虑松动圈的卡尔曼滤波与有限元耦合反分析法,并编写了相应算法程序。利用基于文件操作的Fortran与VC++交互通信技术,一方面,为隧道施工量测管理与围岩稳定智能分析系统增加了非确定性反分析模块;另一方面,也使反分析能够利用该系统的图形模块进行前后处理,使该方法的工程应用更加简单,为该法的应用推广创造了很好的条件。用反分析法求出围岩初始参数后,通过有限元正分析可求出全域最大剪应变,并与试验和理论推演获得的临界剪应变相比较,进而进行围岩稳定性判定。由于该围岩稳定性分析法摒弃了一般有限元正分析在围岩初始应力场上的不合理假设,因而结果更贴切实际,更具合理性。对白云隧道YK48+737断面的现场监测数据进行了跟踪反演,获得了该断面围岩塑性区历时变化图,从而及时地了解了围岩的稳定状况,指导了设计和施工。     

土坡有限元稳定分析若干问题探讨

详细探讨了用有限元方法分析土坡稳定所遇到的问题及处理方法 ,主要包括: 有限元前后处理 ;有限元计算范围及网格划分对计算结果的影响 ;安全系数的定义 ;最危险滑动圆心位置及临界滑动面的形状等问题。     

基于区域Delaunay自动剖分的含水层参数反演

针对地下水有限元数值模拟中区域三角网格剖分复杂难以处理的情况,提出适合其特点的Delaunay三角网格自动剖分方法,并对含有多个参数分区的含水层进行网格剖分,最后利用遗传算法和有限元程序相耦合来反演含水层水文地质参数。结果表明此方法可大大简化地下水数值模拟的前处理工作,并能提高有限元网格剖分的有效性和准确性,从而得到令人满意的数值模拟结果。     

可膨胀管技术实验方法与仿真分析

可膨胀管技术是钻井工程领域的一项新兴技术,应用该技术可以简化井身结构,降低钻探成本。论述了该技术研究现状和地面实验的一种方法,并且利用非线性有限元技术对膨胀过程进行了仿真分析,得到了有效数据。     

Size and shape evolution of pores in a viscoplastic matrix under compression

The frequent use of soils and earth materials for hydraulic capping and for geo‐environmental waste containment motivated our interest in detailed modelling of changes in size and shape of macro‐pores to establish links between soil mechanical behaviour and concurrent changes in hydraulic and transport properties. The objective of this study was to use finite element analysis (FEA) to test and extend previous analytical solutions proposed by the authors describing deformation of a single macro‐pore embedded in linear viscoplastic soil material subjected to anisotropic remote stress. The FEA enables to consider more complex pore geometries and provides a detailed picture of matrix yield behaviour to explain shortcomings of approximate analytical solutions. Finite element and analytical calculations agreed very well for linear viscous as well as for viscoplastic materials, only limited for the case of isotropic remote stress due to the simplifications of the analytical model related to patterns and onset of matrix‐yielding behaviour. FEA calculations were compared with experimental data obtained from a compaction experiment in which pore deformation within a uniform modelling clay sample was monitored using CAT scanning. FEA predictions based on independently measured material properties and initial pore geometry provided an excellent match with experimentally determined evolution of pore size and shape hence lending credence to the potential use of FEA for more complex pore geometries and eventually connect macro‐pore deformation with hydraulic properties. Copyright © 2006 John Wiley & Sons, Ltd.     

深覆盖层上面板堆石坝应力变形特性研究

结合实测资料和有限元方法分析建于深覆盖层地基上面板堆石坝的应力、变形特性。数值计算中采用邓肯-张E-B模型模拟覆盖层地基和坝体的应力、变形行为,同时采用无厚度接触面模拟面板和坝体以及防渗墙和地基之间的相互作用。整理和分析工程实测资料并与数值计算结果进行对比分析,重点分析坝体和防渗结构的力学行为以及面板堆石坝和地基之间的相互作用。比较分析表明,大坝最大沉降和压应力分别发生在坝体底部和覆盖层中,覆盖层对坝体及防渗结构的应力、变形特性具有显著影响,应力、变形实测值与数值计算结果吻合较好,说明数值计算结果的有效性。在此基础上,分析了覆盖层上面板堆石坝分期填筑和筑坝速度对坝体和防渗结构应力变形的影响。结果表明,分期填筑引起坝体较大不均匀沉降和复杂的应力状态,但一定程度上可以改善防渗墙的应力变形特性;较快的坝体填筑速度容易引起坝体较大的前期应力和后期沉降,不利坝体的施工和运行。     

软土深基坑支护内力和变形的三维有限元分析

针对天津经济技术开发区某软土深基坑工程,采用大型有限元分析软件ABAQUS对基坑支护体系的内力、变形进行了全三维非线性有限元分析：应用单元生死功能精确地模拟实际开挖过程;为减小不同类型单元自由度耦合引起的计算误差,对土体及支护体系均采用实体单元模拟;通过数值分析结果与实际测量数据的比较,验证了分析方法的精度,计算方 法及结论有益于今后对类似基坑工程进行更可靠的分析设计。     

Ck-Reconstruction of Surfaces from Partial Data

In this paper, we study the problem of constructing a smooth approximant of a surface defined by the equation z = f(x ₁, x ₂), the data being a finite set of patches on this surface. This problem occurs, for example, after geophysical processing such as migration of time-maps or depth-maps. The usual algorithms to solve this problem are picking points on the patches to get Lagrange's data or trying to get local junctions on patches. But the first method does not use the continuous aspect of the data and the second one does not perform well to get a global regular approximant (C ¹ or more). As an approximant of f, a discrete smoothing spline belonging to a suitable piecewise polynomial space is proposed. The originality of the method consists in the fidelity criterion used to fit the data, which takes into account their particular aspect (surface's patches): the idea is to define a function that minimizes the volume located between the data patches and the function, and which is globally C ^k. We first demonstrate the new method on a theoretical aspect and numerical results on real data are given.     

基于ABAQUS-ANFIS-MCS的岩质边坡可靠性分析

针对岩质边坡工程稳定性分析中参数的不确定性,基于ABAQUA建立了平面破坏型边坡有限元分析模型。并用该模型进行了边坡稳定状态的数值模拟,以获得进行ANFIS分析的数据。同时基于自适应神经模糊推理系统建立了岩体力学参数与边坡抗滑力和下滑力的映射模型,分析得到抗滑力和下滑力的统计特征。根据蒙特卡罗模拟方法用MATLAB语言编写了求解边坡的破坏概率和可靠度的计算程序,对湖南雪峰水泥原料矿山的露天矿边坡进行可靠度分析。研究结果表明,该方法具有避免编写冗长的有限元计算程序、节省机时、计算精度高的优点。     

混凝土面板堆石坝应力变形长期性状有限元模拟

为了获得混凝土面板堆石坝长期力学行为（尤其流变变形对混凝土面板堆石坝工作性状的影响）定量分析成果,运用ABAQUS有限元对国内某抽水蓄能电站混凝土面板堆石坝进行了数值模拟。采用考虑非线性强度的改进双屈服面流变模型描述堆石料长期力学性能,其中瞬时塑性变形采用改进双屈服面模型确定,而黏塑性流变变形采用指数衰减函数定义。有限元分析获得坝体、单元和面板在填筑期、蓄水期与运行期的应力与变形一般规律。结果表明：运行阶段堆石流变变形对混凝土面板堆石坝应力、变形性状产生显著影响。研究结论有益于进一步了解和合理预测混凝土面板的长期性能。     

嵌岩桩嵌岩段侧阻和端阻综合系数研究

现行行业标准《建筑桩基技术规范》（JGJ94－2008）[1]采用嵌岩段侧阻和端阻综合系数?r与基岩单轴抗压强度frk来计算嵌岩桩嵌岩段的总承载力。该方法较简单且工程意义明确,便于工程设计使用。然而规范中综合系数的取值存在一定的局限性。采用ABAQUS通用有限元软件对武汉绿地中心等4个背景工程共20余根现场试桩试验成果进行了数值拟合,取得了较合理的岩（土）参数取值;利用前述参数,建立不同岩性条件下的嵌岩桩数值计算模型,对综合系数进行了计算分析,并建立其与基岩岩性、嵌岩深径比的关系,提出了综合系数建议取值表。相比于规范取值方法,该方法对不同岩石强度分类和嵌岩深径比两个维度上进行了扩充与细化。通过背景工程嵌岩桩试桩承载力的验算表明,采用综合系数比按规范计算的综合系数更接近试桩实测结果。     

Model-Based Identification of Mechanical Characteristics of Sinosaurus (Theropoda) Crests

The paired cranial crests of Sinosaurus(Theropoda) have been hypothesized as too weak to resist mechanical loads during combat. Finite element analysis(FEA) is used to test this hypothesis, first with geometry obtained through direct laser scanning of a well-preserved fossil of the crest, and then with two conceptual FE models of both crests analyzing the structure-deformation effects of fenestration. In the original fossil model, under direct loading on the dorsal faces of the crest, we found that the areas surrounding cavities on the crest experience shear stress that implies a high chance of material failure – the fracture of bone. In the conceptual model, a series of computational studies were conducted with varying loading directions. One simulation found that the shear stress and strain in the material around the cavity presented more deformation compared with the conceptual model without the cavities, and under this morphologically realistic scenario the loading conditions would result in local bone fractures. These model-based computational results indicate that the crest could not resist high loads, because it could not effectively decentralize the loading stress. Future investigations need to focus on more comprehensive computational experiments with more conditions, e.g. dynamical loading conditions, and direct palaeontological evidence.