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1.
为了充分发挥有限元与颗粒离散元各自的优势,提出了一种由有限元转化为颗粒流的方法。数值模型首先用较粗的有限元网格进行离散,并在单元上引入连续介质本构模型。力学计算开始后,实时跟踪各单元的应力状态。一旦某单元的应力满足Mohr-Coulomb准则或最大拉应力准则,删除该单元,同时创建具有一定数目、随机分布且微嵌入的颗粒簇。其后,该单元所在区域的非连续变形及失稳断裂由颗粒簇演化获得。各颗粒的质量、材料参数、速度、位移、接触力等信息根据插值从有限元单元中继承。为了实现有限元与颗粒流接触面的耦合计算,引入了点-棱（二维）及点-面（三维）接触模型,通过法向及切向弹簧实现接触力的计算。颗粒球与有限元板的碰撞分析、单轴压缩、岩石切割等案例展示了上述方法的精确性及合理性。 相似文献
2.
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。 相似文献
3.
将基于圆化多边形离散单元法与有限元方法结合,提出一种可变形圆化多边形离散单元法。此法对块体离散元进行圆化处理,可较好地表征不规则块体外形,又保留了颗粒离散元计算高效的优势。在求解接触力时,消除了角点处法向奇异等问题,同时增强计算的稳定性和简化接触判断。同时对切向接触力计算模型进行修正,使得接触力计算效率得到提高。此法突破了圆化多边形刚体假设的限制,可以精确计算任意形状不规则离散单元之间的相互作用,对单元的运动和变形进行模拟。通过超静定梁冲击试验、不规则块体单轴压缩试验和料斗流动“卡阻”试验3个数值模拟算例,论证此法可以有效地捕捉单元的碰撞、分离和变形等空间运动和自身特性以及其细观力学表征。 相似文献
4.
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
5.
双曲线接触面本构模型能比较真实地模拟堆石材料与混凝土面板间的接触关系,扩展Lagrange乘子法能比较精确地计算接触面间接触状态。在吸取Clough双曲线接触面本构关系应用于无厚度的Goodman单元和有厚度的Desai薄层单元的成功经验的基础上,将Clough双曲线接触面模型引入扩展Lagrange乘子法进行摩擦接触问题的求解。介绍了基于扩展Lagrange乘子法的序列二次规划法（SQP）提法,详细推导了在扩展Lagrange算法的非线性接触计算中引入Clough双曲线接触面本构关系的数值列式和实施步骤。数值算例和工程实例的计算结果证明该方法是成功的,能够比较真实地模拟堆石-混凝土墙（混凝土面板）之间的接触状态。 相似文献
6.
《岩土力学》2021,(3)
为了克服现有数值计算方法在计算复杂断裂面接触滑移过程中效率低的问题,本文通过吸收边界元的建模思想,提出了新的数值计算方法。在该算法中,所有网格均位于岩块的边界,利用显示差分方法计算得到岩块之间的相互作用力以及岩块的位移量。利用“小球在抛物面上滑移”、“哑铃在不同倾角的斜面上”两个模拟实验对本文的算法进行验证,同时利用本文算法与有限元算法对直剪实验进行模拟。结果表明：（1）本文算法能够准确描述物体之间的相互接触,准确计算得到接触块体之间的法向位移。（2）本文算法能够准确判断出接触物体的“滑移状态”和“稳定状态”,摩擦力的数值计算结果与解析解的误差小于10~(-10)。（3）在计算断裂面接触和剪应力变化规律时,本文算法与有限元算法的计算结果一致,但本文计算方法的效率显著提高。 相似文献
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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。 相似文献
8.
通过定义距离势函数,提出一种适用于空间任意凸多面体单元的三维距离势函数离散单元法。该方法采用归一化的计算方式,将势函数表征为接触体间的距离函数,并基于此建立接触力计算方程,明确了势函数的物理意义,使接触力计算更加合理,无需对各种可能的接触形式进行差异化处理。新方法克服了原有势函数物理意义不明、接触力计算受单元形式影响等重要缺陷,并突破了四面体单元的限制,可采用空间任意凸多面体单元。通过若干算例说明新方法的正确性和有效性。数值模拟结果表明新方法能够很好处理空间任意多面体单元复杂接触变换过程,准确处理复杂非连续介质的运动过程。 相似文献
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11.
This paper proposes a numerical model for jointed rock masses within the 3‐D numerical manifold method (NMM) framework equipped with a customized contact algorithm. The strength of rock sample containing a few sets of discontinuities is first investigated. The results of models with simple geometries are compared with the available analytical solutions to verify the developed computer code, whereas models with complex geometries are simulated to better understand the fundamental behavior and failure mechanism of jointed rock mass. Furthermore, the stability of jointed rock mass in an underground excavation is studied, where rock failure process is determined by the 3‐D NMM simulation. The simulation results provide valuable guidance on excavation process design and stabilization design in rock engineering practice. Copyright © 2012 John Wiley & Sons, Ltd. 相似文献
12.
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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Summary Numerical Manifold Method (NMM) is an extension of Discontinuous Deformation Analysis which contains and combines FEM and
joint/block oriented DDA in a unified form. At present, application of NMM is mainly limited to two-dimensional analysis which
is not realistic for many underground excavation works. In the present paper, three-dimensional NMM based on tetrahedron and
hexahedron elements is proposed. The corresponding three-dimensional cover contact detection algorithms which have some fundamental
properties different from the corresponding two-dimensional analysis are also developed. Based on the present formulations,
engineering problems with arbitrarily oriented discontinuities can be modeled and realistic modeling of construction works
becomes possible.
Author’s address: Y. M. Cheng, Department of Civil and Structural Engineering, Hong Kong Polytechnic University, Room TV707,
Hung Hom Kowloon, Hong Kong, P.R. China 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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Particle manifold method (PMM) is a new extension of the numerical manifold method (NMM). PMM uses a mathematical cover system to describe the motion and deformation of a particle‐based physical domain. By introducing the concept of particle into NMM, PMM takes the advantages of easy topological and contact operations with particles. In this article, the methodology, formulations and implementation of the method are presented, together with modelling examples for validation. It is found that good solutions for both continuous and discontinuous problems are obtained by the new developed PMM. Due to the underlying coupled continuum‐discontinuum property of PMM, it has great potential for modelling of geomechanical problems. Copyright © 2012 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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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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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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提出了一种基于颗粒接触的无网格方法（PCMM）,并编制了相应的C++程序,解决了有限元等网格类方法在模拟边坡失稳滑动过程中的网格畸变问题。该方法利用颗粒离散元中的接触拓扑创建连续介质单元,通过颗粒的运动演化实现连续介质单元的自动删除及重建,通过在连续介质单元中引入考虑应变软化效应的Mohr-Coulomb模型及最大拉应力模型,实现边坡的弹塑性分析及失稳滑移过程的模拟。利用PCMM分析了均质边坡的弹塑性场、沙堆的形成过程及土质边坡的失稳过程。计算结果表明,PCMM在小变形下具有足够的精度,且在模拟材料大变形方面具有明显优势,是一种模拟边坡成灾范围的有效方法。 相似文献