基于数字图像技术的岩土材料有限元-离散元分析

将数字图像技术与Munjiza提出的有限元法-离散元法（FDEM）耦合分析方法结合,研制了可表征岩石真实非均质性的FDEM分析系统,为从细观角度对岩体进行建模以及研究岩体的破裂机制提供了新途径。该系统借助数字图像技术从岩石断面的图像获取岩石材料的真实细观结构,借助成熟的网格剖分技术,将其映射到FDEM计算网格中,从而克服了原有FDEM在考虑材料非均质性所存在的不足。利用该系统,进行了巴西圆盘劈裂试验的数值模拟,再现了花岗岩在荷载作用下的真实破裂过程。数值模拟结果表明,考虑非均质性的岩样应力分布呈现出非对称性,岩石的细观结构对岩石中裂纹的扩展及应力分布有重要影响。     

爆炸气体驱动下岩体破裂的有限元-离散元模拟

在原有有限元/离散元（FEM/DEM）耦合分析方法中,实现了一种新的爆破计算模型。该模型考虑了在爆生气体的作用下,随着裂隙的扩展,气体占据的体积不断增大,气体压力逐渐减小这一问题。同时考虑了气体嵌入与爆腔联通的裂隙对裂隙的作用力。克服了原有FEM/DEM方法中的爆破模型仅仅将压力施加于爆腔四周的岩壁上,无法考虑爆生气体嵌入生成的裂隙对裂隙的作用。提出了一种新颖的贯通裂隙网络形成的递归搜索算法,只需通过编写一个简单的递归函数,即可实现复杂裂隙网络的搜索,采用一种简洁的方法完成了对复杂问题的处理。最后通过一个爆破算例,结果表明FEM/DEM方法可以对爆炸过程中应力波的传播及岩体中裂纹的萌生、扩展进行全程捕捉,展现了该方法用于爆破模拟的潜力。     

基于统一标定的势接触力计算

传统的离散元类数值方法存在处理角-角接触时接触力方向不确定、三维情形时接触计算极其复杂等问题。Munjiza提出的基于势的接触力计算方法很好地解决了这一问题,但同时存在势的物理意义不明确,计算出的接触力与物理直观不符、相同嵌入量计算的接触力大小不一致等问题。在已有研究的基础上,提出了一种基于统一标定的势接触力计算方法,该方法重新定义了势函数,即三角形单元内一点的势与该点到3条边的最短距离成正比。采用这种势函数定义可以对嵌入量进行统一表征。在相同的嵌入量下,计算的接触力大小是一致的,同时保留基于势的接触力计算方法所有优点。新定义的势函数,解决了原有势函数所存在的重大缺陷,只要重叠区域不变,计算的总接触力是不变的,接触力计算具有局部特性,而与划分的三角形单元的整体形状和大小无关,即新的接触力计算方法,具有更好的网格鲁棒性。该方法使得基于势的接触力计算方法建立在坚实的物理基础之上,意义重大。     

粗粒料多边形表征及二维FEM/DEM分析

考虑到颗粒形状对粗粒料的力学特性有重大影响,提出了一种新的表征颗粒形状的方法,即在椭圆上随机选取一系列点连接成多边形颗粒,表征狭长扁平的颗粒。新方法较圆上取点的方法能代表更多类型的颗粒形状,适用范围更广。提出了一种新的粗粒料投放算法,即先缩小颗粒,然采用随机算法将缩小的颗粒投放至给定区域,对颗粒划分好网格后,将颗粒放大到原来的大小,然后采用有限元-离散元(FEM/DEM)方法计算稳定后即生成了相应的试样。通过将上述颗粒生成及投放算法与FEM/DEM结合,应用于粗粒料的数值模拟。分析表明,FEM/DEM是研究粗粒料力学性质的较好方法,对复杂的颗粒形状也可简单建模,且因在颗粒内部划分了有限元网格,复杂的接触判断及接触力计算转化为标准统一的三角形和三角形之间的接触判断及接触力计算,所有的计算均可标准化、统一化。同时因为颗粒是可以变形的,依然保留了连续介质力学中应力和应变的概念,无须像PFC那样需通过测量圆来间接表示某点的应力、应变。最后,通过粗粒料的侧限压缩试验的数值模拟,展现了文中提出的一整套解决方案在模拟粗粒料方面的巨大潜力。     

基于局部单元劈裂的FEM/DEM自适应分析方法

为了模拟岩体中裂纹的萌生、扩展,Munjiza提出了有限元法/离散元法(FEM/DEM)耦合分析方法。因为裂纹是沿单元边界进行扩展的,亦即裂纹扩展具有网格依赖性,为获得较好的裂纹扩展形态,需要划分密集的初始网格。为解决上述难题,基于FEM/DEM耦合分析方法,提出了基于局部单元动态劈裂的FEM/DEM自适应分析方法,以克服裂纹扩展形态对网格的依赖性。该方法在最初建模时无需划分很密的初始网格,随着荷载的施加,对裂纹尖端附近的局部单元进行动态劈裂,为裂纹的后续扩展提供了更多可能的扩展方向,使得裂纹扩展不必沿着初始网格的单元边界扩展,即可以沿着单元内部进行扩展,裂纹扩展形态更为平滑,与实际情况更为接近。同时相对原FEM/DEM耦合分析方法一开始就划分很密的网格而言,新方法可以划分较为稀疏的初始网格,计算成本降低。最后,通过巴西劈裂算例与原FEM/DEM耦合分析方法对比,分析表明,新方法在一定程度上克服了裂纹扩展形态对初始网格的依赖性。     

基于OpenMP的二维有限元-离散元并行分析方法

Munjiza提出的有限元-离散元耦合分析方法（FEDM）是分析岩石破裂过程的一种十分有效的方法。然而,为了克服网格依赖性,需要将岩体剖分成非常细小的三角形单元,且三角形单元之间不共用节点,导致问题的变量数目巨大,计算非常耗时。为了提高计算效率,基于OpenMP(open multi-processing)多核并行技术实现了有限元-离散元法的并行化,克服了并行化过程中存在的数据竞争,实现了并行程序的负载平衡。提出了一套将串行程序并行化的策略,即首先确定串行程序的热点区域,然后尽可能地将热点区域并行化,尽量使用私有变量来规避数据竞争;若各线程间仍存在数据竞争,可采用动态链表数据结构,先将数据存于动态链表中,最后在并行区域外,将存于各个动态链表中的数据进行合并,这样可以规避数据竞争,同时避免了使用临界区或锁,从而提高了程序的并行化效果。开发了并行版本FDEM程序,将所提出的方法用于大规模工程问题的求解,最后通过陡崖塌落的算例说明该方法的有效性。