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传统数值流形法（NMM）在处理非连续变形问题时,仅限于几何构型不发生破坏的情况。针对这一不足,通过在裂纹尖端附近的物理片上增加用于模拟应力奇异性的增强位移函数,进一步发展了可用于几何构型破坏的扩展的高阶NMM。然后,将其应用到重力坝由连续到非连续的破坏过程分析中。首先,针对一含单裂纹的重力坝模型进行了敏感性分析,结果表明,在不同的扩展长度或网格密度下,其扩展路径基本相同且与文献结果保持一致。进而在此模型基础上又开展了多裂纹扩展分析,结果仅一条主导裂纹发生扩展,与文献结果基本一致。最后,针对印度的Koyna重力坝,通过设置不同的漫顶高度研究了其裂纹扩展路径的变化。结果表明,随着漫顶高度的增大,裂纹扩展路径逐渐趋向于水平方向扩展,而且坝体抵抗破坏的能力逐渐减弱。总体表明,NMM在求解实际工程问题时具有很好的数值稳定性和鲁棒性。 相似文献
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岩石裂纹的扩展是一个经典的不连续问题,常规有限元方法难以实现裂纹扩展过程的仿真模拟。扩展有限元法(XFEM)实现了计算网格与不连续面相互独立,因此模拟移动的不连续面时无需对网格进行重新剖分。本文介绍了XFEM基本原理和岩石断裂力学常用判据,尝试对岩石类材料单缝Ⅰ型三点弯曲、单缝剪切和双缝平板实验进行模拟。分析结果表明:扩展有限元模拟岩石类材料断裂问题不受网格划分限制,裂纹以实际应力场分布随机扩展;直观地给出岩样的微裂纹产生、演化,直至完全破坏的全过程,并与实验结果吻合。该方法能够应用到岩石断裂力学方面的研究,模拟岩石类材料的宏细观破坏过程,为解决复杂问题提供了方便的途径。 相似文献
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基于数值流形法（NMM）进行三维裂纹扩展分析研究,编写了相应的C++程序。充分发挥数值流形法在非连续变形分析领域的优势,不需要扩展有限元中的水平集和阶跃函数概念,应用数值流形法计算结果分析裂纹尖端线的破坏状况,对已有的非局部求迹法和三角形推进法进行简化和扩展,提出一种简化算法确定最终的新裂纹扩展面。应用简化算法对水平钱币型裂纹扩展问题进行数值模拟和对比分析研究。计算结果表明,基于数值流形法的三维裂纹扩展算法是可行的,采用简化处理之后,克服原有算法的不足,大大减少了新裂纹尖端线和新裂纹面的数目,降低了计算网格对新裂纹面的影响,提高了计算效率和扩大了应用范围。 相似文献
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模拟三维裂纹问题的扩展有限元法 总被引：4，自引：1，他引：3
扩展有限元法是一种在常规有限元框架内求解强和弱不连续问题的新型数值方法,其计算网格与不连续面相互独立,因此模拟移动不连续面时无需对网格进行重新剖分。给出了模拟三维裂纹问题的扩展有限元法。在常规有限元位移模式中,基于单位分解的思想加进一个阶跃函数和二维渐近裂尖位移场,反映裂纹处位移的不连续性。用两个水平集函数表示裂纹。采用线性互补法求解裂纹面非线性接触条件,不需要迭代,提高了计算效率。采用两点位移外推法计算裂纹前缘应力强度因子。给出了3个三维弹性静力问题算例,其结果显示了所提方法能获得高精度的应力强度因子,并能有效地处理裂纹面间的接触问题,同时表明扩展有限元结合线性互补法求解不连续问题具有较好的前景。 相似文献
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数值流形方法（NMM）基于两套覆盖（数学和物理覆盖）和接触环路而建立,能够统一地处理岩土工程中的连续和非连续变形分析问题。与其他基于单位分解理论的数值方法一样,NMM可以自由地提高物理片上局部位移函数（多项式）的阶次,从而在不加密网格的情况下显著地提高计算精度,但有可能会使总体刚度矩阵奇异,产生线性相关问题。针对这种情况,引入了一种新的高次多项式形式的局部位移函数,在此基础上,建立了新的NMM求解体系,并应用于求解一般的弹性力学问题。结果表明：它有效地消除了线性相关问题;较之传统局部位移函数取一次多项式的NMM,达到了更高的精度;节点应力是连续的;定义在物理片上的所有自由度都具有明确的物理含义,其中第3～5个刚好是物理片所对应插值点处的应变分量,因此,直接获得此处的应力状态。该方法可以很容易地推广到其他基于单位分解的数值方法中。 相似文献
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针对线弹性断裂力学问题,提出扩展径向点插值无网格法（X-RPIM）。该方法基于单位分解思想,在传统径向点插值无网格法的位移模式中加入扩展项来描述裂纹两侧的不连续位移场和裂尖奇异场。由于其形函数具有Kronecker ? 函数性质,易于施加本质边界条件。详细描述了X-RPIM不连续位移模式的建立,支配方程的离散形式以及J积分计算混合模式裂纹的应力强度因子的实现过程,讨论了不同积分区域对应力强度因子的影响。数值算例分析证明了该方法在求解断裂问题时的可行性和有效性,同时说明扩展径向点插值无网格法在模拟裂纹扩展问题时具有良好的前景。 相似文献
8.
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。 相似文献
9.
水力劈裂是深埋隧洞施工涌水重要因素之一,对其破坏机制研究是岩土工程界的热点课题。根据裂纹面的应力状态,从断裂力学角度将岩体的裂纹扩展分为拉剪复合扩展和压剪复合扩展。应用地下岩体复合失稳扩展判据分别推导出两种破坏模式的临界水压计算公式,并对其随裂纹在隧洞洞周围的位置、方位变化规律进行分析。分析结果表明,在发生拉剪复合扩展情况下,裂纹方向与最大地应力方向平行时,最易失稳扩展;在压剪复合扩展情况下,裂纹与最大地应力夹角约介于30°～75°之间时,最易失稳扩展。 相似文献
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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。 相似文献
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在岩土工程分析中求解精度控制常常是必需的,在数值流形法中可以通过控制数学覆盖网格的稀疏和覆盖位移的阶数来达到精度的要求。提出了基于等几何分析的数值流形方法,定义了相应的数学覆盖的构造形式,推导了基于二次B样条的9节点数值流形方法分析格式;针对基于Lagrange插值函数的4节点数值流形方法提出了基于T样条思想的数学覆盖网格的局部加密方法。算例计算结果表明,相对于4节点的数值流形方法,基于非均匀有理B样条的9节点数值流形方法具有更高的精度;基于T样条思想的加密网格在保持计算精度的前提下降低了自由度的数量,表明T样条加密是一种自然的局部加密算法。 相似文献
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By employing both a physical mesh and a mathematical mesh to formulate a physical problem, the numerical manifold method (NMM) can lead to a very simple meshing task, which allows directly capturing the discontinuities across the crack surfaces without further incorporating unknowns to the related nodes through enrichment functions. These features enable the NMM to handle complex crack problems. In this study, based on the contact technique of the NMM and the incorporation of the Mohr–Coulomb crack initiation criterion, the effects of the friction and cohesion on the crack growth from a closed flaw (crack) under compression were investigated. A limited number of comparisons between the numerical results and the physical experiments show that with the Mohr–Coulomb crack initiation criterion, the NMM can not only accurately predict the pure tensile or pure shear crack growth, but the NMM can also satisfactorily predict the development of mixed shear–tensile crack types. Using a parametric analysis, the effects of the confining stress, the flaw inclination angle, the flaw friction angle and the material strengths on the crack development (crack initiation stress, crack initiation angle, crack type developed) have been investigated. 相似文献
13.
A major challenge in seepage analysis is to locate the phreatic surface in an unconfined aquifer. The phreatic surface is unknown and assumed as a discontinuity separating the seepage domain into dry and wet parts, thus should be determined iteratively with special schemes. In this study, we systematically developed a new numerical manifold method (NMM) model for unconfined seepage analysis. The NMM is a general numerical method for modeling continuous and discontinuous deformation in a unified mathematical form. The novelty of our NMM model is rooted in the NMM two‐cover‐mesh system: the mathematical covers are fixed and the physical covers are adjusted with iterations to account for the discontinuity feature of the phreatic surface. We developed an energy‐work seepage model, which accommodates flexible approaches for boundary conditions and provides a form consistent with that in mechanical analysis with clarified physical meaning of the potential energy. In the framework of this energy‐work seepage model, we proposed a physical concept model (a pipe model) for constructing the penalty function used in the penalty method to uniformly deal with Dirichlet, Neumann, and material boundaries. The new NMM model was applied to study four example problems of unconfined seepage with varying geometric shape, boundary conditions, and material domains. The comparison of our simulation results to those of existing numerical models for these examples indicates that our NMM model can achieve a high accuracy and faster convergence speed with relatively coarse meshes. This NMM seepage model will be a key component of our future coupled hydro‐mechanical NMM model. Copyright © 2014 John Wiley & Sons, Ltd. 相似文献
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针对数值流形方法特有的覆盖剖分方式,提出了一种模拟岩土工程中开挖过程的算法。该算法采取某种措施,在覆盖剖分过程中将开挖面视为特殊的不连续面,这种不连续面将其所在的数学网格剖分成不同的流形单元,但却不对所在的数学覆盖作剖分。这样,开挖面两侧虽分属不同的流形单元,但开挖面两侧同一数学网格内的流形单元却具有相同的物理覆盖。采用该算法,无需对开挖面处的单元进行特殊处理,可在整个分析域采用统一的网格形式;同时,打破了原有数值流形方法的限制,将开挖面的位置完全当作连续介质来处理,避免了因将其视为不连续面而产生的误差。验证了算法的可靠性后,将其应用于某假想隧道的开挖模拟,计算结果表明该算法具有一定的应用前景。 相似文献
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In this paper, the numerical manifold method (NMM) is extended to study wave propagation across rock masses. First, improvements to the system equations, contact treatment, and boundary conditions of the NMM are performed, where new system equations are derived based on the Newmark assumption of the space–time relationship, the edge‐to‐edge contact treatment is further developed for the NMM to handle stress wave propagation across discontinuities, and the viscous non‐reflection boundary condition is derived based on the energy minimisation principle. After the modification, numerical comparisons between the original and improved NMM are presented. The results show that the original system equations result in artificial numerical damping, which can be overcome by the Newmark system equations. Meanwhile, the original contact scheme suffers some calculation problems when modelling stress wave propagation across a discontinuity, which can be solved by the proposed edge‐to‐edge contact scheme. Subsequently, the influence of the mesh size and time step on the improved NMM for stress wave propagation is studied. Finally, 2D wave propagation is modelled, and the model's results are in good agreement with the analytical solution. Copyright © 2013 John Wiley & Sons, Ltd. 相似文献
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运用三维数值流形法（3D NMM）进行三维裂纹扩展分析,并采用C++语言编写了相应的程序。充分利用三维数值流形法模拟裂纹扩展的优势,只需要更新裂纹尖端线附近的边界环路和流形单元,不需要使用阶跃函数。根据三维数值流形法计算得到的应力结果,应用非局部求迹方法分析每个裂纹尖端的破坏状态,如果发生破坏则沿垂直于其最大主应力方向扩展。针对裂纹扩展后的不同状况,采用四边形或三角形推进法。裂纹扩展后为了使变形后的面保持平面,必须对新生成的面进行三角化分割。对诸如单边裂纹、平行钱币型裂纹和倾斜钱币型裂纹扩展问题进行数值模拟。计算结果表明,采用三维数值流形法进行裂纹扩展模拟是可行的,文中方法对裂纹尖端线非闭合和闭合的情形均适用,且文中方法对于裂纹尖端线位于单元内部的非平面裂纹扩展也是有效的。 相似文献
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《Geomechanics and Geoengineering》2013,8(2):147-153
With high-order numerical manifold method (NMM) or high-order discontinuous deformation analysis method (DDA), computational accuracy of structure deformation can be improved greatly. However, poor accuracy is obtained and even computation is not convergent while treating large deformation problems, due to inaccurate or incorrect high-order initial stress formulae. Based on 2D triangular mathematical meshes and polynomial cover functions in high-order NMM, exact formulae for high-order initial stresses are deduced to depict configuration change of structures under large deformations. The formulae are expressed in polynomial forms so as to be used in simplex integrations. The approach is also extended to high-order DDA. Comparing with analytical solutions, accurate results for large deformation of a cantilever beam prove the validity of the proposed formulae. 相似文献