离散元_边界元动力耦合模型在地下结构动力分析中的应用
中国的cae软件
边界元分析(BEM)技术
边界元分析技术是一种数值计算 方法，适用于解决边界积分方程 等问题。
在中国，边界元分析技术的研究 和应用也得到了广泛的发展。中 国在边界元分析技术方面拥有丰 富的理论和实践经验，并将其应 用于多个领域，如结构力学、流 体动力学、电磁场等领域。
中国在边界元分析技术方面也取 得了很多成果，包括开发了多种 边界元分析软件，如Fesafe、 Elmer等，这些软件在中国的工 程应用中发挥了重要作用。
04
CATALOGUE
中国cae软件的应用实例
cae软件在机械制造行业的应用
模具设计优化
01
利用cae软件对模具设计方案进行模拟和优化，提高模具的精
度和使用寿命。
生产线规划与仿真
02
通过cae软件模拟生产线流程，优化生产线的布局和生产效率
。
机械部件疲劳寿命预测
03
利用cae软件对机械部件的疲劳寿命进行预测，提前发现潜在
离散元(DEM)技术
离散元技术是一种数值计算方法，适用于解决离散系统的动力学问题。
在中国，离散元技术的研究和应用也得到了广泛的发展。中国在离散元 技术方面拥有丰富的理论和实践经验，并将其应用于多个领域，如地质
工程、机械工程、土木工程等领域。
中国在离散元技术方面也取得了很多成果，包括开发了多种离散元分析 软件，如UDEC、PFC等，这些软件在中国的工程应用中发挥了重要作 用。
拓展国际市场
加强国际合作与交流，开拓国际市场，提 升中国CAE软件的国际影响力。
加强国际合作与交流
合作研究
鼓励国内企业和研究机构与国际先进企业与研究机构开展合作 研究。
技术交流
积极参加国际技术交流活动，分享中国CAE软件的技术成果和 发展经验。
离散元粘聚力模型
离散元粘聚力模型
离散元粘聚力模型是一种模拟材料离散化行为的力学模型，通常用于分析岩石、土壤等颗粒材料的力学行为。
离散元粘聚力模型基于以下假设：
1.颗粒之间存在粘聚力，这种粘聚力随着颗粒间距的减小而增
大；
2.颗粒之间存在摩擦力，这种摩擦力与颗粒之间的相对运动方向
和速度有关；
3.颗粒之间存在弹性恢复力，这种恢复力与颗粒之间的相对位移
和速度有关。
离散元粘聚力模型通过引入粘聚力和摩擦力等参数，可以模拟颗粒材料的应力-应变关系、强度、破裂等行为。
该模型对于理解颗粒材料的微观结构和宏观行为之间的关系、优化颗粒材料的设计和应用具有重要的意义。
离散元粘聚力模型的优点包括：
1.可以考虑颗粒之间的相互作用和相互影响，更准确地模拟材料
的力学行为；
2.可以模拟材料的破裂和失稳等复杂行为；
3.可以用于分析不同颗粒材料在不同条件下的力学行为。
离散元粘聚力模型的缺点包括：
1.需要大量的参数和数据，且参数的确定较为复杂；
2.对于某些材料的模拟结果可能存在误差；
3.对于动态行为的模拟可能不够准确。
岩土工程中的数值模拟方法及工程应用
岩土工程中的数值模拟方法及工程应用岩土工程是一门研究土体和岩石在水、力和热的作用下行为特性及其在工程实践中应用的学科。
随着计算机技术的不断发展和应用，数值模拟方法已经成为岩土工程中必不可少的研究手段之一。
本文将从有限元方法、离散元方法和边界元方法三个方面探讨岩土工程中常见的数值模拟方法及其工程应用。
一、有限元方法有限元方法是目前最为广泛应用的岩土工程数值模拟方法之一，其主要特点是可以进行非线性和非平衡的分析。
在岩土工程中，有限元方法主要用于模拟岩土体在受力下的变形和破坏过程。
有限元方法的求解过程可以划分为以下三个步骤：1. 离散化——将复杂的物理问题离散化为条形单元进行计算，使得计算变得简单；2. 建立方程——将有限元模型建立为代数方程组，通过求解方程组得到解；3. 处理结果——利用分析结果来展示研究对象的物理特性和行为。
在岩土工程中，有限元法主要用于地下工程和地震工程等方面的研究，比如隧道围岩和坝体安全评价、塑性材料本构模型细化、岩石三轴试验模拟等。
有限元法的应用使得传统规律模型得以精细化，模拟效果更加接近实际情况。
二、离散元方法离散元方法是一种用离散单元来描述物质状态、分析物质运动的力学方法。
离散元方法是一种适用于多体动力学和岩土体力学问题的数值分析方法。
离散元方法的特点是将物体分解成为微小单元进行数值模拟，从而得到宏观上看起来的结果。
在岩土工程中，离散元方法主要用于土体颗粒流、岩体破坏分析、地震工程模拟等方面的研究。
离散元法常用于研究固体、颗粒和流体的耦合问题，如土石流运动规律研究、软黏土土体力学性质研究等。
三、边界元方法边界元方法，也叫边界积分方法，是一种应用在数学物理问题上的计算算法。
该方法不需要离散化处理，只需要在表面上建立边界元网格即可。
在岩土工程中，边界元方法主要用于颗粒间相互作用、地下水流、地震动等方面的研究。
边界元方法的优点是不需要建立离散网格，仅需在边界上建立少量的节点，计算速度较快，且精度较高，由此常用于模拟地下水流动或地震波传播。
离散元_边界元动力耦合模型
2001年1月水 利 学 报SHU IL I XU EBAO 第1期收稿日期:1999212227基金项目:“九五”国家攻关项目.作者简介:金峰(1966-),男,贵州遵义人,教授、博士生导师,主要从事结构动力分析研究.文章编号:055929350(2001)0120023205离散元2边界元动力耦合模型金 峰1,贾伟伟1,王光纶1(11清华大学水利水电工程系,北京 100084)摘 要:本文提出了一种二维变形体离散元与时域边界元的耦合模型,这一模型可以将非连续体的模拟与无限域的模拟统一在一个模型中,可用于在地震波动输入条件下,考虑辐射阻尼的岩体边坡或地下结构等的动力稳定和变形分析,拓宽了离散元动力分析的领域.算例分析表明本耦合分析模型具有较高的精度.关键词:离散元;边界元;耦合中图分类号:O344 文献标识码:A离散元法是一种模拟离散介质的计算方法,自Cundall 在70年代提出以来,在岩石力学、土力学、结构分析等领域的数值模拟中得到广泛应用,是一种新兴的非连续体分析方法[1,2,3].在动力分析中,许多分析均表明辐射阻尼对分析结果影响很大,应该充分重视[4],动力边界元方法由于在其基本解中包含了无限远处的辐射条件,在处理辐射阻尼的影响时十分方便,是分析地下结构动力响应的一种有力的工具[5].动力边界元法可以分为频域边界元法[5]与时域边界元法[6,7],前者主要适用于线性问题.是发展较早、相对成熟的动力边界元方法.时域边界元方法直接在时域内求解,适合解决非线性问题,根据求解的问题具有非线性的特点,本文选择动力时域边界元方法与可变形体离散元耦合,提出了一个二维时域动力边界元———可变形体离散元耦合模型,充分发挥离散元与边界元的优点,将非连续体的模拟与无限介质辐射阻尼的模拟统一到一个模型中,为地下结构和岩质边坡的抗震稳定分析提供了全新的手段.1 离散元2边界元耦合模型图1 离散体系示意111 二维可变形体离散元原理 可变形体离散元法将模拟的计算区域看作是若干可变形块体的组合,见图1.这些块体可以任意平移、旋转,块体之间的相互作用力,用法向和切向弹簧表示,称为接触,接触力的大小由块体的相对位置决定.每个块体又划分为三角形差分网格以模拟变形,每个差分三角形的顶点称为节点,其应变假定为常数,可以由节点的位置确定.因为一旦节点位置确定,便可以得到差分三角形乃至整个块体的变形和应力,从而得到所有的响应历程,因此,所有的计算将围绕节点进行,边界条件也可以通过给定边界节点位移或节点力来实现.离散元计算采用显式步进的方法,首先将计算的过程分为若干等长的时步,静力分析作为动力分—32—析的特例,可以采用临界阻尼以增加收敛速度,此时静力分析的时步不具有真实的物理意义,可看作迭代步.在每一时步内,对所有块体的所有节点分别进行循环计算,每一节点循环计算的主要步骤为:(1)根据上一循环的结果或边界条件,确定本时步初节点的位置和速度等运动量.(2)根据本节点与相邻节点的位置可确定差分网格的应变,根据本构关系求出应力,再积分得到本节点所受弹性力.若为块体边界上的节点,可根据相邻块体的位置确定接触力,从而得到本节点在本时步所受合力的F ′.以上具体公式和算法可参见文献[1,2,3].(3)由牛顿第二定律或动力平衡方程m ¨u +αm u =F ′+m g(1)式中:F ′是接触力F c 、弹性力F e 与刚度阻尼力F d =β(F c +F e )之和;am u 代表质量阻尼力;α、β是Rayleigh 阻尼系数;g 代表重力加速度,最后一项表示重力的影响.由式(1)通过中心差分,可得到本时步(第i 时步)的速度u i = u i -1(1-015αΔt )+F ′m+g Δt (1+015αΔt )(2)进而可以得到本时步末本节点的位置.返回第(1)步,继续下一轮循环计算,最终求得所有时刻所有节点的解.由于任意块体间在运动过程中都有发生各种接触的可能,在计算中需要对所有的块体之间进行接触判断并计算接触力,这是一项十分耗时的工作,也是离散元法的关键技术之一,为减少计算工作量,针对岩体中构造面的特点,已有一些较好的算法,如Cundall 提出的域算法,充分利用生成离散块体时的信息,将接触检索局限于初始顶点构成的域中,特别适合于由构造面切割形成的离散块体系统,由于篇幅所限,在此不能详细介绍,请参阅有关文献[1]和[2].112 二维时域边界元基本原理 二维全平面时域动力边界元方程[6,7,8]c αβu β(S ,t )=∫t 0∫Γu 3αβp β(Q ,τ)-p 3αβu β(Q ,τ)d Γd τ+u I β(3)式中:u 3αβ,p 3αβ为二维全平面时域动力基本解,其具体的表达式可参见文献[6]和[8];u ,p 分别表示位移与面力;u I 表示从无限远处入射的位移场;S ,Q 分别表示源点及场点.α,β=1,2,同时对时间、空间进行离散,可以得到时域边界元方程可写作[6,7,8]:[H ]L {u}0=[G ]0{p}L +{B }L (4)式中:{u}L 、{p}L 分别是L 时刻的位移与面力分量,{B }L =∑L -1l =1[G ]L -l {p}l -[ H ]L -l {u}l +{u I }L (5)式中:[H ]l 、[G ]l 、(l =1,L )共2L 个矩阵均为系数矩阵,他们可由各边界单元的子矩阵集成而得,具体表达式可参见文献[6]和[8].由于{u}l 、{p}l (l =1,2,…,L -1)是1,2,…,L -1时刻的量,在求解L 时刻时{B }L 为已知量,而在{u}L ,{p}L 中有N (总的自由度数)个值已知,另N 个值未知,因此可解此方程组,可求得L 时刻的N 个未知量,依此类推,即可求得全部时程的历程反应.图2 离散元-边界元耦合模型113 耦合模型的实现 为了实现时域边界元和离散元的耦合,必须解决以下问题:(1)离散元模拟的离散体与边界元分析的连续体实现耦合;(2)求解方式的统一是实现耦合的关键;(3)离散元计算时步与边界元计算时步的协调及离散元节点与边界元单元节点的对应可以进一步提高耦合计算的效率.下面,分别介绍解决的方法.(1)首先,将计算区域划分为两个区域,见图2,即主要考虑无限域辐射阻尼和地震输入的连续体区域,称为边界元域,用时域边界元(B EM )模拟,其模拟的重点是无限域,地表水平自由边界在离散一段距离后截断,经过—42—收敛计算证明可以很好地模拟远域的影响[8].另一区域,称为离散元域,用离散元(DEM)模拟,模拟的重点是离散体.在远域与近域之间设立一个界面块(Interface Block),它是一个完整的可变形离散块体,可进一步划分为三角差分网格,本身是连续的,差分节点同时也可以是边界元节点,边界元与离散元的耦合完全在过渡块上进行,这样,就避免了一个边界元节点可能与两个块体相连而造成的非连续问题.(2)在求解方式上,将整个边界元区域看成是一个离散元法的块体,离散元法计算的核心是根据位置、位移、速度等运动量求作用力,为此,改写边界元方程(4),可以得到{F I}L=[R][G]0-1[H]0{u}L-{B}L(6)式中:[R]是将面力{p}L转换成作用力的转换矩阵.这样,只要知道过渡块中与边界元相接的节点的位移,就可以根据式(6)求出边界元区域作用在这些节点的作用力,进而用式(2)计算节点速度、位移,从而完成一次循环,实现了两种模型的耦合.(3)为了保证计算效率和计算稳定性,时域边界元方法的计算时步不能太小,通常为离散元方法计算时步的几十到上百倍.为解决这一难题,我们采用了异步计算的办法.设离散元法的时步为Δτ,则取时域边界元法的时步Δt=K1K2Δτ,即将每个边界元时步划分为K1个小时步,每个小时步由K2个离散元时步组成,并认为一个小时步内边界元域的作用力不变,既每K2个离散元时步才调用一次式(6)更新作用力.在一个边界元时步内,式(6)的各系数[G]L,[H]L,{B}L皆保持不变,{u}L将不断按下式更新:{u}L={u}L-1+{u}k-{u}L-1K1k (k=1,2,…,K1)(7)式中:{u}k是第k个小时步中第一个离散元时步初的节点位移.当一个边界元时步结束后,式(6)中的面力向量也相应按下式更新{p}L=∑K1k=1[R]-1{F I}kK1(6)进而更新{B},再进行下一个边界元时步的计算.为保证计算效率,边界元的节点通常要大大少于耦合边界上离散元的节点,我们采用一个边界单元对应若干离散元节点的办法,一个边界元内相互作用面力按线性分布,再根据力和力矩的平衡,分别计算分配给每个离散元节点的相互作用力{F I}.这样,通过空间和时间的异步,大大提高了计算效率和改善计算稳定性,从而实现了时域边界元方法和离散元方法的耦合.2 模型验证为验证耦合模型的精度,列出以下两个算例,其他算例可见文献[9].211 岩柱算例 如图3所示的一个岩柱,分为离散元块体模拟的4个岩块和一个边界元区域模拟的顶部岩块,最下一个离散岩块固定,在边界元岩块最上的边界作用单位阶跃荷载110MPa,岩块的弹模E=30GPa,密度ρ=2000kg/m3,阻尼比ξ=011,K n=K s=1011N/m,f=1118,c=0.由于在计算条件下,所有构造面保持完整接触,能保证岩柱的连续性,所以可同时采用时域边界元法对整个岩柱按连续体进行分析.图4为岩柱上各点的位移响应及其与时域边界元法的计算结果对比,在整个计算时间内,两者吻合很好.这一算例显示了当离散块体紧密结合成一个连续体时,耦合模型能够与连续体模型分析结果吻合,并可清楚地看到波动在岩柱中的传播过程,波动能够准确地在边界元区域与离散元区域之间和离散块体之间传播,从一个侧面证实了耦合模型及软件的正确性.—52—图3 岩柱示意图4 耦合模型与时域边界元模型的比较图5 所示的半平面上的离散块体212 半平面的离散块受入射波作用 为进一步验证耦合模型在处理波入射动力问题的计算精度,首先计算了如图5所示的半平面上的离散块体在竖直向上的SV 波入射情况下的响应,离散元域除界面块外仅有一个块体,并且假定离散块体之间的摩擦系数与抗拉强度足够大以保证他们之间不会滑动,边界元域共采用了26个单元,单元长度均为10m ,其中6个单元与界面块体接触,在SV 波入射下的位移历程见图6.图6 输入的位移历程图7 两种方法计算A 点水平位移的比较 图7示出了A 点的水平位移响应与完全采用时域边界元方法计算结果进行的比较.两种方法计算结果的对比再次说明耦合模型具有较高的精度,同时说明了耦合模型能够模拟波动从无限远入射并正确输入到离散元域.其他证明耦合模型能够模拟离散块体的开合等大变形行为的算例,因为篇幅所限和耦合模型与普通离散元模型在这些方面并无本质区别,所以不再列出,可以参考文献[9].致 谢 本文得到国家电力公司成都勘测设计研究院肖白云和王仁坤两位总工的支持和帮助,清华大学水利水电工程系张楚汉教授和徐艳杰博士也给予了大量的帮助,在此一并表示感谢.参 考 文 献:[1] Cundall PA ,Hart RD.Development of G eneralized 22D and 32D Distinct Element Programs for Modelling Joint 2ed Rock [R ].ITASCA Consulting Group ,Misc.Paper SL 28521,1985.[2] 鲁军,张楚汉,王光纶,金峰.岩体动静力稳定分析的三维离散单元法[J ].清华大学学报,1996,(10).[3] Zhang Chuhan ,et al.Application of distinct element method in dynamic analysis of high rock slopes and blockystructures.[J ]S oil Dyn.Earthq.Eng.1997,(12).[4] 张楚汉.结构-地基动力相互作用问题[C].结构与介质相互作用理论及其应用.南京:河海大学出版社,1993.[5] Niwa Y ,K obayashi S ,Azuma N.Application of Integral Equation Method to S ome G eomechanical Problems[C].Numerical Method in G eomechanics ,120-131,ASCE ,New Y ork ,1976.—62—[6] Mansur WJ,Brebbia CA.Topics in Boundary Element Research[C].Chap.4,Springer2Verlag World Pub2lishing Company,87-123,1985.[7] 金峰,张楚汉,王光纶.有阻尼的时域边界元方法[J].力学学报,1997,29(15).[8] 任允涛.各向同性与各向异性介质波动问题边界元法及其工程应用[D].北京:清华大学,1996年.[9] 贾伟伟.离散元-边界元动力耦合模型研究及其工程应用[D].北京:清华大学,1999年.Coupling model of distinct element2bound ary elementJ IN Feng1,J IA Wei2wei1,WAN G Guang2lun1(11Tsi nghua U niversity,Beiji ng 100084,Chi na)Abstract:A22D dynamic model coupling the deformation block distinct element method with boundary element method in time domain is established.The model simulates the static and dy2 namic responses of discontinuous rock and the effects of infinite domain simultaneously.It can be used to analyze the static and dynamic stability,deformation of rocky slopes as well as the under2 ground structures,especially when wave propagation input of earthquake and radiation damping must be taken into acciunt.The results of bench mark problems show shows that the precision of this method is high.K ey w ords:distinct element method;boundary element method;coupling model——72。
混凝土结构多物理场耦合分析方法研究
混凝土结构多物理场耦合分析方法研究一、研究背景混凝土结构是现代建筑中常用的结构材料之一，具有强度高、耐久性好、施工方便等优点。
然而，在实际使用中，混凝土结构会受到多种物理场的作用，如荷载、温度、湿度等，这些物理场的作用会相互耦合，影响混凝土结构的安全性和使用寿命。
因此，混凝土结构多物理场耦合分析方法的研究具有重要的理论和实践意义。
二、研究现状目前，混凝土结构的多物理场耦合分析方法主要包括有限元方法、边界元方法、离散元方法等。
其中，有限元方法是最常用的一种方法，它可以将混凝土结构分为有限个小单元进行分析，建立数学模型，求解各个物理场的相互作用，得到混凝土结构的应力、应变等参数。
边界元方法则是将混凝土结构的边界分为有限个小区域进行分析，求解边界上的物理量，然后利用边界条件得到混凝土结构的应力、应变等参数。
离散元方法则是将混凝土结构分为有限个小颗粒进行分析，求解颗粒间的相互作用，得到混凝土结构的应力、应变等参数。
三、研究内容本研究旨在探讨混凝土结构多物理场耦合分析方法的研究，具体研究内容如下：1.建立混凝土结构多物理场耦合分析的数学模型。
根据混凝土结构受到的物理场和相互作用关系，建立相应的数学模型，包括有限元模型、边界元模型、离散元模型等。
2.求解混凝土结构的应力、应变等参数。
利用数学模型，求解混凝土结构在荷载、温度、湿度等物理场作用下的应力、应变等参数，分析混凝土结构的变形、破坏等情况。
3.分析不同物理场的相互作用对混凝土结构的影响。
研究不同物理场的相互作用对混凝土结构的影响，如荷载和温度、湿度和荷载等因素的相互作用，分析不同情况下混凝土结构的稳定性、安全性等参数。
4.优化混凝土结构设计和维护方案。
根据研究结果，对混凝土结构的设计和维护方案进行优化，提高混凝土结构的耐久性和安全性。
四、研究方法本研究采用有限元方法和边界元方法相结合的方法，建立混凝土结构多物理场耦合分析的数学模型，求解混凝土结构的应力、应变等参数，并分析不同物理场的相互作用对混凝土结构的影响。
基于离散元的流固耦合方法在工程中的应用
基于离散元的流固耦合方法在工程中的应用摘要：该文简要介绍了基于离散元的流固耦合方法的基本原理，在工业生产、工程建设等中的应用，阐述了采用基于离散元的流固耦合方法进行数值模拟在处理实际问题时的可行性和优越性，最后对基于离散元法的流固耦合在工程中的更广泛应用做出了总结和展望。
关键词：离散元流固耦合数值模拟应用离散元法（Discrete Element Method，简称DEM）是分析散体的力学行为的数值方法，在对包含离散颗粒的系统进行数值模拟时更加接近实际情况，模拟结果的参考性就越强。
流固耦合现象广泛存在于自然界和人类实践中，对于流固耦合问题，按照固相和液相相互作用的重叠范围，可分为两大类[1]。
第一大类是两相有部分或全部重叠在一起，例如利用气体动力进行固体颗粒的输送（密相气力输送），化工过程中的流化床问题，地层中水、油、气的运动，空气中粉尘的运动等等；第二大类是两相的耦合作用发生在两相交界面处，结构物在空气、水中与液相的相互作用，例如机翼和气流的相互作用，桥梁结构在风荷载作用下的强度分析，船舶与波浪的相互作用分析等等。
对于第二大类的固相介质都是连续的整体，用离散元模拟将不再具有优势，因此该文讨论的基于离散元的流固耦合方法主要针对第一大类问题，即流固两相部分或完全重叠的实际应用。
1 基于离散元的流固耦合方法原理简介在流固系统中，固体是用离散的圆形(或球形）颗粒来模拟的，根据牛顿第二定律的力与位移的关系，采用显式时步循环运算规则，对数值模型进行循环计算，重复应用此定律于颗粒上，颗粒间的接触力通过接触模型得到。
对于流体的描述采用连续性方程和Navier-Stokes方程，假设流体为不可压缩流体且密度不变。
在模型的计算中，流体对颗粒体的作用力以外部体力的方式施加于球体颗粒，它包括两部分，一部分是流体的压力梯度产生的，另一部分是流固之间的相互作用力，该部分的计算采用经验公式求出。
在流体计算模块中采用的是由Patankar和Spalding[2]最先提出的SIMPLE计算方法(Semi-Implicit Method for Pressure Linked Equations)来求解每一个流体单元中流体的压力和速度矢量，SIMPLE被广泛用于不可压缩流体的求解。
离散元法及其应用简介
Fluided bed (Yutaka Tsuji)
Particle Transport in Electrostatic Traveling Wave (Hiroyuki Kawamoto)
陶瓷材料二维BPM模型的建立
生成颗粒
颗粒位置重排
删除“浮点”颗粒
Cluster模型
BPM模型
陶瓷材料DEM模型的校准
模拟残余应力
v＝10m/s、ap＝5μm
v＝5m/s、ap＝15μm
v＝10m/s、ap＝10μm
v＝10m/s、ap＝15μm
v＝10m/s、ap＝15μm 不同切削深度下的残余应力云图
v＝15m/s、ap＝15μm 不同切削速度下的残余应力云图
混凝土泵送
在混凝土工程施工过程中，混凝土的运输和浇筑是一项繁重、关键性的
混凝土泵送
GID建模 区域离散与 网格划分 计算及结果 可视化
建模过程
泵送过程的三维压力分布
典型的泵车弯管破损形式
陶瓷压实成型
重力情况下
-210 -205
微重力情况下
Gravity Microravity
20
Gravity Microgravity
-195
Distribution (%)
0.01 0.02 0.03 0.04 0.05 0.06 0.07 0.08
Yuanqiang Tan, Hao Zhang, Dongmin Yang et al. Numerical simulation of concrete pumping process and investigation of wear mechanism of the piping wall. Tribology International, 2011 (In Press).
混凝土力学数值仿真研究进展 (修改)
混凝土力学性能数值仿真研究进展吉久茂，焦楚杰（广州大学土木工程学院，广东广州 510006）摘要：回顾了目前研究混凝土数值仿真的常用方法，分别是有限元法，离散元法，边界元法及它们的发展过程。
综述了数值仿真方法的基本原理和应用模型。
侧重叙述了颗粒离散元法和散体细观力学理论及其DEM模型与改进。
介绍了各种算法国内外研究进展及耦合算法的扩展研究情况。
最后指出了一些数值仿真算法的存在问题，并对数值仿真的未来发展即科研实验与数值仿真结合研究提出了希望。
关键词：混凝土数值仿真有限元离散元边界元1．数值仿真的起源与科研意义数值仿真技术也叫计算机模拟。
它是以电子计算机为手段通过数值计算和图像显示的方法，达到对工程问题及物理问题研究的目的。
数值模拟技术最早诞生于20世纪中叶。
由国外知名学者Bruce G.H和PeaceD.W模拟了一维气相不稳定径向和线形流。
1955年，Peace man与Rach ford 研发的交替隐式解法（ADI）取得了数值仿真技术的重大突破。
该算法稳定且计算速度较快，所以在相关领域得到广泛应用。
1959年，Peace man与Douglas第一次进行了两维两相模拟，这标志着现代数值模拟技术的开始。
60年代，Coats K.H和Nielsen R.L首次进行了三维两相模拟。
1968年Breitenbach E.A发表了三维三相模拟解法，这期间的另一项成就就是Peace man 提出了后来通用的Peace man方程，用于二维三维扩散方程的数值解答。
80年代最大的成就是Appleyyard J R和Cheshire I.M发表了嵌套因式分解法。
90年代，Zoltan E.Heinemann提出了PEBI网格，PEBI网格结合了正交网格和角点网格的优点，现在正逐渐成为主流数值模拟网格体系。
关于数值模拟，我们可以理解为利用计算机做实验，特别是近几十年来随着计算机性能的不断提高和力学学科的深入发展，数值模拟方法对问题的分析研究取得重大进展。
有限差分法、变分法、离散元法、边界元法及有限元法
有限差分法、变分法、离散元法、边界元法及有限元法下载温馨提示：该文档是我店铺精心编制而成，希望大家下载以后，能够帮助大家解决实际的问题。
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离散元原理及应用
离散元原理及应用离散元（Discrete Element Method，DEM）是一种基于颗粒间相互作用力的数值模拟方法，用于研究颗粒体系的力学行为。
离散元原理是以颗粒为基本单元，通过模拟颗粒之间的相互作用力，来揭示颗粒体系的宏观力学行为，以及颗粒体系的微观行为。
离散元原理的核心思想是将连续体离散化，将颗粒看作是离散的个体，通过颗粒之间的相互作用来模拟颗粒体系的宏观行为。
离散元方法的步骤可以简单概括为：1. 确定颗粒的形状和大小。
颗粒可以是圆球形、多边形或其他形状，其大小决定了颗粒之间的相对位置。
2. 建立颗粒之间的相互作用力模型。
常用的力模型有弹簧-颗粒模型、弹簧-弹簧模型和接触力模型等。
这些力模型可以描述颗粒之间的接触力、摩擦力和弹性力等。
3. 计算颗粒之间的相互作用力。
通过根据力模型计算颗粒之间的相互作用力，然后将这些力应用于相应的颗粒上。
4. 更新颗粒的位置和速度。
根据颗粒之间的相互作用力，可以计算出颗粒的受力情况，并据此更新颗粒的位置和速度。
5. 重复以上步骤。
通过不断重复计算颗粒之间的相互作用力、更新颗粒的位置和速度，可以模拟整个颗粒体系的力学行为。
离散元方法在工程领域有着广泛的应用。
以下是离散元方法在几个典型应用领域的介绍：1. 地震工程：离散元方法可以用于模拟土地结构在地震作用下的行为。
通过模拟颗粒之间的相互作用力，可以研究土壤内的颗粒位移、应力分布以及土体的破坏机理等，从而为地震工程提供可靠的设计依据。
2. 岩土工程：离散元方法可以用于模拟岩土体的力学行为。
通过模拟颗粒之间的相互作用力，可以研究土体的压缩、剪切和断裂等行为，从而为岩土工程提供精确的预测和分析。
3. 煤矿工程：离散元方法可以用于模拟煤矿岩石的力学行为。
通过模拟颗粒之间的相互作用力，可以研究岩石的破碎、抗压性能以及岩层的稳定性等，从而为煤矿工程的安全评估和设计提供依据。
4. 粉体工程：离散元方法可以用于模拟颗粒材料的力学行为。
岩土数值极限分析方法的发展与应用
岩土数值极限分析方法的发展与应用一、本文概述随着科学技术的不断进步和工程实践的日益深化，岩土工程的数值极限分析方法在工程安全评估、优化设计以及风险控制等方面发挥着越来越重要的作用。
本文旨在全面概述岩土数值极限分析方法的发展历程、现状以及未来趋势，并深入探讨其在各类岩土工程中的应用。
本文将首先回顾岩土数值极限分析方法的起源与发展，梳理其从早期的简单理论模型到现代复杂数值分析技术的演变过程。
接着，文章将重点介绍当前主流的数值极限分析方法，包括有限元法、有限差分法、离散元法等，并分析它们各自的优缺点和适用范围。
本文还将探讨岩土数值极限分析方法在岩土工程中的应用案例，如边坡稳定性分析、隧道开挖模拟、地下工程安全评估等，以展示其在实际工程中的重要作用。
本文将展望岩土数值极限分析方法的未来发展趋势，包括技术创新、方法优化、多学科交叉融合等方面，以期为相关领域的研究人员和实践工作者提供有益的参考和启示。
通过本文的阐述，希望能够推动岩土数值极限分析方法在岩土工程领域的进一步发展与应用。
二、岩土数值极限分析方法的发展历程岩土数值极限分析方法的发展历程可以追溯到20世纪中期，随着计算机技术的飞速发展和数值计算方法的不断创新，岩土数值极限分析逐渐成为一种重要的研究手段。
其发展过程大致可以分为以下几个阶段：初期探索阶段：在20世纪50至60年代，研究者开始尝试运用数值方法对岩土体的极限状态进行分析。
当时主要采用有限元法等基本的数值计算方法，对岩土体的应力、应变和位移等进行了初步的探索。
这一阶段的研究虽然较为基础，但为后续的发展奠定了坚实的基础。
方法发展阶段：随着计算机技术的不断进步和数值计算方法的日益成熟，岩土数值极限分析方法在20世纪70至80年代得到了快速发展。
研究者开始尝试运用更加复杂和精确的数值方法，如离散元法、边界元法、有限差分法等，对岩土体的力学特性、破坏模式和极限承载能力等进行了深入的研究。
这些方法的出现极大地丰富了岩土数值极限分析的手段，提高了分析的准确性和可靠性。
土力学与地质工程研究中的数值模拟方法
土力学与地质工程研究中的数值模拟方法土力学与地质工程是关于土体力学特性和地质工程问题的研究领域。
在这个领域中，数值模拟方法被广泛应用来解决各种土力学问题和地质工程难题。
数值模拟方法通过对土体和岩石的内部结构、物理特性和力学行为进行建模，可以提供准确的预测和分析，为工程实践提供有力的支持。
一、数值模拟的背景和应用土力学和地质工程问题的复杂性使得传统的试验和经验方法往往无法满足现实工程需求。
而数值模拟方法的引入，使得研究者们能够更加深入地了解土体和岩石的内部结构、物理特性和力学行为。
通过对土体和岩石的数值模拟，可以预测地下水流动、土体固结沉降、土体侧向位移等问题，对于地下工程的设计和施工具有重要意义。
二、数值模拟方法的种类在土力学与地质工程领域，常见的数值模拟方法包括有限元法（finite element method，FEM）、边界元法（boundary element method，BEM）和离散元法（discrete element method，DEM）等。
这些方法在建模原理和适用范围上有所不同，但都可以用来解决土力学与地质工程问题。
有限元法是一种广泛应用的数值分析方法，通过将土体或岩石划分成离散的小单元，然后对每个小单元的物理行为进行计算，最后通过求解整个计算域上的物理方程得到土体或岩石的力学行为。
边界元法则是通过将物理问题转化为远离边界的问题，在边界上进行插值计算，从而得到力学行为。
离散元法则是建立在颗粒模型上的一种数值模拟方法，将土体或岩石看作是由大量的离散颗粒组成的，通过分析颗粒之间的相互作用来研究力学性质。
每种方法都有其独特的优势和适用范围。
有限元法适用于连续介质的模拟，可以处理复杂的土体和岩石结构，而边界元法则适用于模拟边界上的行为，对于近断层研究和地下水流动等问题有较好的效果。
离散元法则适用于颗粒模型的模拟，对于颗粒结构的变化和力学行为的分析有较好的表现。
三、数值模拟方法的优势和挑战数值模拟方法在土力学与地质工程研究中具有很多优势。
离散元基础知识
离散元基础知识离散元是一种用于研究物质在微观尺度上的运动和相互作用的方法。
它基于离散元模型，将物质分解为离散的元素或颗粒，并通过模拟它们之间的相互作用来研究宏观物体的力学行为。
离散元模型的基本概念是将物质分解为离散的颗粒，并考虑它们之间的相互作用。
每个颗粒都有自己的质量、位置和速度，并且可以受到其他颗粒的力的作用。
通过模拟颗粒之间的相互作用，可以研究物体的力学行为，如弹性变形、塑性变形和断裂等。
在离散元模型中，颗粒之间的相互作用通常通过力学原理来描述。
例如，当两个颗粒之间的距离小于一定的范围时，它们之间将存在吸引力或斥力。
这种相互作用力可以通过弹簧模型或者其他力学模型来表示。
通过对颗粒之间的相互作用力进行计算，可以确定颗粒的加速度和速度，并进一步推导出物体的位移和形变。
离散元模型还可以考虑其他因素对物体行为的影响。
例如，摩擦力可以模拟颗粒之间的相对滑动，从而影响物体的运动。
此外，颗粒之间的碰撞也是离散元模型中需要考虑的重要因素。
当两个颗粒之间的距离小于它们的半径之和时，它们将发生碰撞，并且根据碰撞的速度和质量来计算碰撞后的速度和方向。
离散元模型在许多领域中都有广泛的应用。
在土木工程中，离散元模型可以模拟土壤和岩石的力学行为，用于分析地基的稳定性和地震对结构的影响。
在材料科学中，离散元模型可以研究材料的断裂行为和塑性变形，用于设计新材料和改进现有材料的性能。
在生物医学工程中，离散元模型可以模拟人体组织的力学行为，用于研究疾病的发展和治疗方法的设计。
离散元模型的研究需要掌握一定的数学和计算机技术。
数学上需要理解力学原理和微分方程等概念，以及数值计算方法和优化算法等技术。
在计算机上，需要编写程序来模拟离散元模型，并通过可视化技术来展示模拟结果。
近年来，随着计算机硬件和软件的不断发展，离散元模型的计算效率和模拟精度得到了显著提高，使得离散元模拟成为研究物体力学行为的重要工具。
离散元是一种基于离散元模型的研究方法，用于模拟物质在微观尺度上的运动和相互作用。
土木工程中结构分析与优化的计算力学方法
土木工程中结构分析与优化的计算力学方法土木工程是指利用土木材料、人力、机械和资金等资源，运用科学技术和管理方法，为社会提供住房、道路、桥梁、隧道、港口、水利工程等建设和维护的工程领域。
土木工程中的结构分析与优化是指通过计算力学方法对土木结构进行力学分析，并通过优化方法对其进行优化设计。
本文将介绍土木工程中常用的计算力学方法，并讨论其在结构分析与优化中的应用。
在土木工程中进行结构分析时，计算力学是一个重要的工具。
计算力学是一种通过数值计算方法来模拟和分析结构行为的学科，主要包括有限元法、边界元法和离散元法等。
其中，有限元法是最常用的计算力学方法之一，其基本原理是将结构划分为有限个小单元，并通过求解每个单元上的力学方程来推导整个结构的行为。
有限元法具有适用性广、精度高和可靠性强的特点，因此在结构分析中得到广泛应用。
边界元法和离散元法则适用于边界条件明确、结构具有特殊几何形态的问题，如地基振动和颗粒材料的力学行为。
在结构分析过程中，优化设计起到了至关重要的作用。
优化设计是指通过调整结构的形状、材料和性能等因素，使得结构在满足规定约束条件下，具有最优的性能或成本。
常用的结构优化方法包括拓扑优化、尺寸优化和拟静态优化等。
拓扑优化是指通过在结构中添加或去除材料，来调整结构的拓扑形态以达到最优化的设计。
尺寸优化是指通过调整结构的各个尺寸参数，如杆件截面尺寸和板厚等，来实现结构的最优设计。
拟静态优化是指通过优化结构的材料性能和加载条件等因素，来提高结构的稳定性和抗震性能。
在结构分析与优化中，计算力学方法的应用可以帮助工程人员更好地理解结构的受力特性和变形规律，并为优化设计提供科学依据。
首先，计算力学方法可以通过数值模拟结构的受力情况，揭示各个部位的应力分布和应变变化，以及整体结构的变形情况。
通过这些分析结果，工程人员可以判断结构的受力状况是否满足设计要求，进而对结构进行必要的加固或改进。
其次，计算力学方法可以对结构进行静力和动力分析，评估结构在外荷载作用下的稳定性和动态响应特性。
数值方法与人工智能在岩土工程中的应用
《数值方法与人工智能在岩土工程中的应用》（博士生课程）试题专业：岩土工程姓名：孙歆硕学号：B200500311.简述数值分析的主要方法和原理，各自的优缺点和适用范围。
（40分）答：岩石力学数值分析方法主要用于研究岩土工程活动和自然环境变化过程中岩体及其加固结构的力学行为和工程活动对周围环境的影响。
目前的主要方法有有限元法、边界元法、有限差分法、加权余量法、离散元法、刚体元法、不连续变形分析法、流变方法等。
其中前四种方法是基于连续介质的方法，离散元法、刚体元法和不连续变形分析法是非连续介质力学的方法，流变方法则具有前两种方法的共性。
有限元法基于最小总势能变分原理，以其能方便的处理各种非线性问题，能灵活的模拟岩是工程中复杂的施工过程，因而成为岩石力学领域中应用最广泛的数值分析方法。
边界元法以表述拜特互等定理的积分方式为基础，建立了直接法的基本方程，而基于叠加原理建立了间接法的总体方程；引起前处理工作量少、能有效模拟远场效应而普遍应用于无界域或半无界域问题的求解。
其不足之处是对于非连续多介质、非线性问题，边界元法不如有限元法灵活有效。
有限差分法是将问题的基本方程和边界条件以简单、直观的差分形式来表达，使得其更易于在实际工程中应用。
尤其是近年来FLAC程序在国内外的广泛应用，使得有限差分法在解决岩石力学问题时愈来愈受到重视。
离散单元法是Cundall（1971）专门用来解决不连续介质问题的数值模拟方法，最初它的研究对象是岩石等非连续介质的力学行为，它的基本思想是把不连续体分离为刚性元素的组合，使每个刚性元素满足运动方程，用时步迭代的方法求解各刚性元素的运动方程，继而求得不连续体的整体运动形态，离散元法允许单元之间的相对转动、滑动乃至块体的分离，不一定满足位移连续和变形协调条件，尤其适合求解大位移和非线性问题。
王泳嘉（1986）首次向国内介绍了离散元法的基本原理及几个应用例子，将这一方法应用于矿山边坡的稳定分析，按裂隙、断层等结构面的切割情况并由计算机优化划分单元，得到了边坡破坏过程的动态分析。
离散元法及其在岩土工程中的应用综述_王卫华
文章编号:1007-2993(2005)04-0177-05离散元法及其在岩土工程中的应用综述王卫华 李夕兵(中南大学资源与安全工程学院,湖南长沙 410083) 【摘 要】 离散元法是基于不连续性假设的数值方法,它特别适合于求解节理岩体中的非连续性问题。
在介绍离散元法基本原理的基础上,着重对离散元法在岩土工程领域的应用现状作了叙述和分析,并对其发展趋势进行了探讨。
【关键词】 离散元法;岩土工程;数值方法【中图分类号】 T B 115A Review on Fundamentals of Distinct Element Methodand Its Applications in Geotechnical EngineeringWang Weihua Li Xibing(School of Resources and Safe ty Engineering ,Central South U niversity ,Changsha Hunan 410083China )【Abstract 】 The Distinct Element M ethod (DEM )is a discontinuum -based numerical method especially applicable to solve the discontinuity problems in jointed rock mass .Firstly the fundamentals of DEM are introduced ,and then its applications in geo -technical engineering are summarzied emphatically ,and finally the development trends of DEM are discussed .【Key Words 】 Distinct Element M ethod ;geo -technical eng ineering ;numerical method0 引 言岩体是一种具有不连续性、非均质性、各向异性和非线性的天然地质体[1～3]。
离散／边界元混合模型在隧道开挖模拟中的应用
Ａｐ ｌ ａ ｉ ｎ ｏ ｂ ｉ ｍ ／Ｂｏ ｄ ｒ Ｃｏ ｐ ｅ ｏ ｅ ｐ ｉ ｔｏ ｆＨｙ ｒｄ Ｄｅ ｃ ｒ ｅ ｍ ｌｘ Ｍ ｄ ｉ ｉ ｕ ａ ｉ ｎ Ｏ ｎ ｅ ｃ ｖ ｔｏ ｎ Ｓ ｍ ｌ ｔＯ ｆＴｕ ｎ ｌＥｘ ａ ａ ｎ ｉ
Ｒｏ ｇ Ｋａ Ｃ ｅ ｈ ｕ ｅ Ｇｕ ｏ ｕ ｎ ｎ ｉ ｈ ｎＳ ｏ ｇｎ ｏ Ｙａ ｈ ａ ｇ
将离 边界元 混合模 型和传统 的 离散 元模 型都 用于 同一 个工程 实例 中， 实例 为处 于节理较 发育岩 体 该
中的两个上下相距只有 ９ ｍ的近接隧道。通过比较模拟发现 ， 边界元混合模型不仅能大大减 少计 离
算时 间， 而且还有 计算 结果更 准确等优 点 。 关键词 离散 单元 法 边界 单元 法 离散／ 边界 元混合 隧道 开挖和 支护 数 值模 拟
和更高 的计算成 本 。解 决 的方法 之一就是 减少 节理单
元 的数量 ， 只考 虑对 隧 道稳 定 性 影 响较 大 的节 理 。如
果 节理 的数量 还是过 大 的话 ， 采 用 等效 概 念将 节理 就 进 行简化 以满 足计算 要 求 Ｊ 。尽 管如 此 ， 种处 理方 这 法 并不能很 好地 反 映岩 体 的实 际情 况 ， 能准 确反 映 不 关 键岩块 的变形 和破坏 状态 。较好 的选择是结 合离散
界元混合模型和传统的离散元模型都被用于一个工程 实例 中， 实例 为处 于节 理 较发 育 岩体 中 的两 个上 下 该
维普资讯
离散／ 边界元混合模型在隧道开挖模拟 中的应用 ： 戎
凯 陈寿根
郭耀煌
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相距 只有 ９ｍ 的近接 隧道 。通 过 比较模拟发 现 ， 离散／
成是 由离散 的岩块 和岩块 间的节理 面所组 成 。岩块能
dem-fdm耦合原理
dem-fdm耦合原理
离散元法(DEM)和有限差分法(FDM)的耦合是一种广泛应用于工程领域的方法。
在这种方法中，离散元法用于模拟复杂的非连续介质，如岩石、土壤和颗粒等，而有限差分法则用于模拟连续介质，如流体和结构等。
在一个典型的DEM-FDM耦合模型中，首先通过激光扫描或实验室试验实现对象的离散元建模，然后通过设定界面单元进行不同介质层间速度与力的相互传递，从而实现离散元法与有限差分法的耦合。
例如，对于铁路碎石道床-土质基床的界面应力分析，可以通过建立轨枕-碎石道床-连续土体耦合模型，并计算列车通过时基床动应力分布特征，进一步讨论轨枕-道床接触状态对其影响。
此外，也可以通过生成基础土壤、实施一个包裹石头的圆柱和构建路堤等步骤来生成土工合成材料包裹石柱支撑路堤的DEM-FDM耦合数值模型。
离散元ppt课件
一 历史由来及研究现状
离散单元法 的研究现状
离散元理论研究的发展
近30年来，离散元法的应用领域在不断扩大，它自身的内涵也发 生了变化，以致于目前很难对离散元法给出一个严格的定义。下 面，我们从离散元法的离散模型特点及便于甄别与其它数值计算 方法的关系的角度给予离散元法一个比较宽松的定义。
一 历史由来及研究现状
一 历史由来及研究现状
产生背景
散粒岩土材料在自然界中普遍存在
从本质上讲，岩土材料都是由离散的、尺寸不一、形状各异的颗 粒或块体组成的，例如，土就是松散颗粒的堆积物，同样，天然 岩体也是由被结构面切割而成的大小不一、形态各异的岩石块体 所组成。散粒岩土材料的力学特性有着重要的工程应用，如泥砂 的沉淀，土堤、土（岩）坡、铁路道渣等的稳定性研究，散粒岩 土材料的力学特性研究是岩土力学中最基本的、也是最重要的问 题之一。
离散单元法 的研究现状
离散元理论研究的发展
• 数值方法通常将实际具有无限自由度的介质近似为具有有限 自由度的离散体(或网络)的计算模型(有限离散模型)进行计算。 有限离散模型具有三个要素：单元(或网络)、节点和节点间 的关联。
一 历史由来及研究现状
离散单元法 的研究现状
离散元理论研究的发展
• 离散元单元的形状有形形色色，但它只有一个基本节点(取单 元的形心点)，是一种物理元(physicalelement)．这种单元与有 限元法、边界元法等数值方法采用的由一组基本节点联成的 单元(一般称为网络元，mesh element)相比有明显的不同。
一 历史由来及研究现状
早期的离散单元法
Cundall称之为“Distinct Element Method”，随着该方法的推广， 有的学者称其为“Discrete Element Method”，缩写形式均为 DEM。 最初，离散元的研究对象主要是岩石等非连续介质的力学行为， 它的基本思想是把不连续体分离为刚性元素的集合，使各个刚性 元素满足运动方程，用时步迭代的方法求解各刚性元素的运动方 程，继而求得不连续体的整体运动形态。离散元法允许单元间的 相对运动，不一定要满足位移连续和变形谐调条件，计算速度快， 所需存储空间小，尤其适合求解大位移和非线性问题。
岩土力学中的数值分析算法研究
岩土力学中的数值分析算法研究岩土力学是土木工程中非常重要的一个学科，它主要研究土体和岩石等地质物质力学特性及其应用。
在岩土力学中，数值分析算法是一个非常重要的领域，它可以帮助研究人员通过计算机模拟来进行对地质物质特性的研究和分析。
本文将对岩土力学中的数值分析算法进行探讨和研究。
一、有限元法有限元法是岩土力学中非常常用的一种数值分析方法。
它通过将一个连续体分成若干个小单元，再通过数学模型建立单元之间的关系，最终求解整个连续体的力学行为。
有限元法解决了很多复杂问题，如土壤和岩石的弯曲、扭转、抗剪等问题，可以更加真实的模拟地面行为。
同时，有限元法也能够分析非线性问题，如岩土体破坏行为和稳定性分析等问题。
二、边界元法边界元法是将求解问题只限制在问题边界上的数值分析方法。
与有限元法不同的是，边界元法直接计算边界上的应力分布，并进而推导出其他位置上的应力场分布。
由于边界元法不需要将整个域剖分为单元，在处理大规模地质问题时具有很大的优势。
而且，边界元法的精度高，可行性好，越来越多的石材和地质问题的研究都利用了边界元法。
三、离散元法离散元法是岩土力学中一种新兴而又广泛应用的数值分析方法。
它考虑了岩土物质内部的颗粒之间的相互作用，通过一种离散的方式表示这些颗粒的运动和相互作用，从而模拟物质的力学性质。
因此，离散元法非常适合用于研究断裂、塌陷、滑坡等问题。
离散元法的研究涉及到一些计算难度较大的问题，如强项多度、非对称、非线性和循环变形等。
对于这些问题，前沿研究成果尚在发展中，研究人员需要不断探索和努力。
四、计算流体力学方法计算流体力学方法也可以应用于岩土力学中。
它主要研究流体力学的理论和计算方法，同时也可以使用数值模拟来研究流体-岩体相互作用等问题。
它的研究对象包括土体、岩体中的液体和气体等流体系统。
使用计算流体力学方法可以有效地研究液体或气体流动导致的地质变化和地质灾害。
而且，计算流体力学方法可以在短时间内进行复杂的计算，可以方便地改变模型中的参数，加快研究进程。
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2001年2月水 利 学 报SHU IL I XU EBAO 第2期收稿日期:1999212227基金项目:“九・五”国家攻关项目.作者简介:金 峰(1966-),男,贵州遵义人,教授,博士生导师,主要从事结构动力分析.文章编号:055929350(2001)022*******离散元2边界元动力耦合模型在地下结构动力分析中的应用金 峰1,王光纶1,贾伟伟1(11清华大学水利水电工程系,北京 100084)摘 要:利用离散元2边界元耦合模型对溪洛渡工程地下厂房洞室群静、动力响应进行了分析,对离散元模拟地下结构的一些问题进行了探讨,得到了一些结论:离散元模型能够很好地模拟地下洞室群的变形,通过与边界元的耦合,可以模拟辐射阻尼的影响,由于辐射阻尼的影响,地下洞室群的地震响应比地面结构小很多.关键词:离散元;辐射阻尼;地下结构;动力分析中图分类号:TV554 文献标识码:A离散元2边界元动力耦合模型[1]将二维可变形体离散元[2]与二维动力时域边界元[3]两种计算方法耦合起来,充分发挥离散元与边界元的优点,将非连续体的模拟与无限介质辐射阻尼的模拟统一到一个模型中,为地下结构的抗震稳定分析提供了全新的手段.本文利用这一耦合模型对溪洛渡工程地下厂房洞室群进行了静、动力分析,对离散元模拟地下结构的一些问题进行了探讨,得到了一些结论.1 工程简况溪洛渡水电站在长江上游干流金沙江上,是一座以发电为主,兼有拦沙、防洪、漂木、航运等综合效益的巨型水电站.根据国家电力公司成都勘测设计研究院的溪洛渡地下厂房区地质概况报告显示,坝址区位于溪洛渡峡谷中段,山体浑厚,谷坡陡峻,地形完整.经国家地震局烈度评定委员会审定,地震烈度为Ⅷ度.厂房发电系统拟定为库区内地下厂房,左、右岸对称布置,且地下主厂房、主变室和尾水调压室均呈“品”字形分布,由上游至下游依次是地下厂房、主变室和尾水调压室.两岸地下厂房尺寸规模相同,跨度32m ,长414m ,高7417m ,底板高程33515m.厂房区岩体由含斑玄武岩和玄武质角砾熔岩组成,岩体一般新鲜较完整,无大的断层切割,层间错动带一般不发育,产状平缓,挤压紧密,一般干燥无水.层内错动带在局部层内相对较发育,错动带一般宽5～10cm ,挤压紧密,为岩块岩屑型.裂隙以陡倾和缓倾为主,中等倾角裂隙一般不发育.厂房地区地下水活动微弱,厂房区地应力属中等地应力区.2 计算条件和简化假定211 计算断面的选取 限于时间和条件,目前开发的离散元-边界元动力耦合分析软件只能进行二维模拟,因此必须选取适当的二维计算断面.以右岸厂房为例,初步选定通过12号机组中心线的厂房断面,得到一个向两侧无限延伸的断面,如图1所示.然后分别再划定边界元和离散元的离散范围.离散元的离散范围为以洞室群为基准,向下延伸长度大于最大洞室高度,向两侧延伸约两倍最大洞室高度,即图中折线ABCDEA 所包围的区域.折线FABCD G 以下的半无限平面则采用边界元方法来模拟,并假定为各向同性的连续介质,AF 和D G 均为水平线.根据计算经验,各用15个70m 的边界单元离散,并在F 和G 处截断.折线ABCD 用24个边界单元离散,每个单元长度大约为70m ,整个地表FAED G 的边界条件均为自由表面.图1 简化后的计算断面图2 计算采用的离散元网格 计算中对洞室断面作了相应的简化,对于采用离散元模拟的ABCDEA 区域,必须进行块体的划分和材料基本参数的确定.根据成勘院提供的工程地质条件,首先确定选取断面内主要裂隙的参数,根据这些参数可以由计算机自动生成裂隙并以此来对计算区域进行块体划分.岩体中实际存在的裂隙往往是间断性的,存在岩桥,而目前离散元的研究对象必须是被裂隙完全切割的各种形状的块体.因此必须对实际的裂隙进行必要的处理,将较短的裂隙进行延长,使它们相交,将整个岩块比较彻底地切割成各种块体,以便进行计算.为保证如此处理后仍能模拟原有的岩体,将根据裂隙延长的长度对计算的力学参数如摩擦系数f 、粘滞力c 、接触弹性系数K n 、K s 等进行加权修正,以保证等效的抗滑力、弹性力相同.最后形成的离散块体见图2,图2中所示阴影部分表示的块体为耦合模型分析所需的界面块[1].为清晰起见,图2中未示出各离散元块体内部的差分网格,在洞室群附近差分网格的大小均小于4m ,离洞室群稍远处网格的大小均小于10m ,上部山体的网格大小均小于40m ,整个计算模拟的块体数大于500块.整个完成一次静、动力计算在Pentium Ⅲ/450上约需80～100h.212 地应力及其模拟方法 地应力是影响围岩稳定的一个重要因素.溪洛渡地下厂房区存在着较高的初始地应力,在计算模型中应该充分予以考虑.在采用耦合模型进行数值分析中,针对溪洛渡工程的具体情况,可以在竖直方向,通过增大重力加速度,即施加一个大于g 的重力加速度,相当于给岩体施加附加的竖向荷载,有效地模拟竖向地应力,再通过施加水平力来挤紧岩块,来模拟水平方向的应力,这样,通过调整施加的重力加速度及水平力的大小,可以使垂直地应力和水平地应力均达到预期要求的数值.本文主要考虑地下厂房洞室群的稳定性,因此计算中主要考虑洞室群及其附近区域的地应力场.实际的地下厂房洞室群地应力场数据已经由国家电力公司成都勘测设计研究院提供,它是根据实测的地应力加以反演推得的.经过试算,计算模型中在水平方向共施加415×106kN 压力,在竖直方向施加1115g 的重力加速度.图3 简化的施工开挖顺序213 渗流场的模拟 水库蓄水后,水位抬高,会在两岸山体内形成渗流场.地下洞室开挖以后,水会由洞壁渗漏到洞室中,地下水将在洞室周围形成局部汇流区.地下渗流场的存在对洞室的稳定会产生一定的影响,因此计算模型中必须考虑渗流场.耦合模型中主要考虑静水头的影响,即根据各个节点的静水头确定作用在节点上的渗透压力,目前,静水头暂时按渗流面考虑,未能充分模拟洞室本身的排水效应.当然,将来也可按渗流等压面考虑静水头.地震动水压力的影响由于时间所限未予考虑,蓄水前,地下水位很低,水库蓄水后,地下水位上升,洞室才开始受渗透水压力的影响.因此,渗透压力的施加是在开挖完成,且离散元系统计算达到新的稳定以后.214 地下厂房系统开挖顺序 由于耦合模型分析是仿真分析,施工开挖顺序会对分析结果产生较大影响,计算中必须模拟施工开挖的顺序.在施工过程中,溪洛渡地下厂房系统的开挖有一定的先后顺序,须按开挖施工进度表的安排进行.在主厂房开挖的过程中,同时还要进行主变室和调压室的开挖及支护.但实际的开挖施工进度安排比较复杂,且本研究的重点又是动力稳定,故在计算中进行了一定的简化,将洞室群的开挖简化为三步进行,如图3所示,其中Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ分别代表第一、二、三步开挖的部分.计算时每一步开挖完成后给予系统一定的时间,使之达到稳定状态,以便进行下一步计算.3 施工期与蓄水期分析311 模拟过程 离散元计算的初始状态假定块体间没有相互作用力.计算开始以后,在自重和地应力(以及可能的地下水渗透压力)作用下,块体之间会产生相互作用力并引起变形,直至达到平衡状态,可称为“固结过程”.因此,采用耦合模型进行计算时,首先要经过一个固结过程,直到系统到达稳定后,才开始施工模拟计算.施工过程分三步开挖来模拟,每步开挖均要在达到稳定后再进行下一步开挖.施工开挖模拟结束后,再施加渗透压力荷载,模拟蓄水过程,为简化起见,蓄水过程假定为一步. 312 变形分析 取一典型a点(见图3),耦合模型计算的该点在施工过程中的水平位移曲线如图4 (a)所示(图中的时间没有实际意义),可以分为三个阶段.ab段为从计算初始状态开始的稳定阶段(固结阶段),即达到施工前初始地应力的状态;bc阶段为开挖阶段,共分三次完成开挖;cd阶段为蓄水阶段.图4(b)为图4(a)的bd段局部放大图,表示了每一步洞室开挖以后,a点发生的回弹变形.由于该点位于洞室侧壁的中部,第一步只开挖洞室的上部,因此第一步a点的回弹位移较小,为013mm;第二步开挖到洞室的中部,这时a点产生了较大的回弹位移,为1014mm;第三步开挖洞室的下部,这一步开挖量较大,a点产生了很大的回弹位移,大小为2915mm.水库蓄水以后,由于上游侧水位高于下游侧,岩体受到渗压的作用,也会产生新的位移,运动趋势为向下游方向.图4 典型的位移曲线其它各点也有类似规律,值得注意的是主变室的位移.它的开挖在第二步一次完成,它的回弹位移也一次完成,规律同主厂房和调压室.但在第三步开挖主厂房和调压室的下部时,受调压室开挖的影响,它会产生向下游的水平位移.取其洞壁上的b点(见图3)进行分析,在第二步开挖中水平回弹位移大小为417mm,由于调压室所影响,它在开挖第三步产生了向下游方向的位移,大小为2010mm,影响是很大的.因此洞室群的开挖要十分注意洞室开挖的相互影响.3个洞室因开挖产生的总的回弹位移大小如图5所示,最大位移发生在调压室的侧壁上,最大回弹的位移值为53mm.另外主厂房下游侧底部也存在向下游的变形,这也是主变室和调压室开挖的影响造成的.4 地震响应分析在开挖与蓄水过程静力分析的基础上,利用离散元2边界元耦合模型分析了地震波波动输入条件下,各洞室的地震响应.地震荷载采用从无限远处波动输入,峰值加速度是采用溪洛度工程的地震危险性分析提供的峰值加速度0118g,地震加速度反应历程由抗震规范规定的标准反应谱反演得到,地震历时24146s,见图6,通过数值积分并进行归零调整得到地震位移历程,波动输入的幅值按该地震波在半平面表面的响应为0118g反演,在SV波竖向输入时,在无限远处输入的地震波动幅值为0109g,此时的地震输入与通常的水平地震输入等价.图5 洞室群开挖回弹总变形图6 设计地震加速度历程411 地表地震响应 首先分析在地震波输入时,山体表面的地震响应.计算结果显示山体地表各点的峰值加速度略有不同,图1中山顶E 点附近的加速度较大,峰值加速度为1194m/s 2,为0118g 的111倍;河谷底部A 点附近的加速度较小,峰值加速度为1136m/s 2,为0118g 的0177倍.这一分布与大量地震实际观测的现象吻合.地表峰值加速度平均值为1163m/s 2,为0118g 的01925倍,略小于0118g ,这与离散块体的阻尼和地震分布有关,总的来说,地表的地震加速度与设计地震相当.图7 耦合模型计算的a点地震加速度图9 耦合模型分析的加速度与设计加速度比值分布图8 常规离散元分析的加速度与设计加速度比值分布412 洞室周边各点的地震响应 图7为耦合模型分析得到的a 点(见图3)地震加速度响应历程,它是由计算得到的位移历程通过数值微分得到的,可以注意到在25s 附近有一较大峰值,这是由于地震时程只有24146s 记录,突然终止造成的虚假响应.其他各点的地震加速度与之相似.图8和图9分别是采用离散元模型与耦合模型计算的各洞室周边各点的加速度峰值与设计地震峰值的比值分布图,其中,离散元的计算网格与图2中耦合模型的离散元网格系统,仅是没有与边界元耦合,界面块体为刚性块,地震输入是在这个刚性块上给定设计地震来施加的,因此它们之间的差别显示了辐射阻尼和地震波动输入的影响.从图中可以分析出以下结论:(1)常规的离散元分析中,各洞室的地震响应与输入地震相近,最大响应的放大倍数为1164,发生在调压室中下部.(2)由于辐射阻尼和地震波动输入,耦合模型计算的各洞室的地震响应与地表响应与常规离散元分析的地震响应相比有非常明显的下降,最大响应仅有设计地震的01357倍,这与实际地震中地下结构地震反应较小的实际观测结果相吻合,说明在溪洛渡地下厂房洞室群这样埋深较大的地下结构,考虑辐射阻尼和地震波动输入能够更好地符合实际情况.(3)耦合模型计算中,由于地震波从下向上入射,洞室底部是迎波面,加速度响应较大,而顶拱的加速度响应较小.残余位移的分布呈上大下小的分布,最大残余位移发生在调压室顶部,最大残余位移值为10mm.地震残余位移较小,对洞室群的围岩稳定威胁较小.413 地震波不同入射方向的影响 考虑到地震波的输入方向受到多种因素的影响,难以准确确定,从工程安全的角度出发,对地震波的不同入射方向进行了分析,给出了SV波与竖直方向夹角为30°和-30°入射的结果.可以分析出以下结论:(1)不同入射角工况条件下,洞室周边的地震响应略有不同.(2)在各种入射角条件下,一般迎波面的响应比背波面大,在地震从下向上的入射条件下,洞室底部的加速度响应较大,而顶拱的加速度响应较小.(3)残余位移的分布仍呈上大下小的分布.各种输入条件下的残余位移略有不同,其中30°输入条件下,不仅加速度响应较大,残余位移也大,最大值为29mm,也发生在调压室顶部,对地下洞室群的整体围岩稳定威胁不大.5 主要结论采用离散元-边界元动力耦合模型对溪洛渡工程地下厂房洞室群的静、动力响应进行了分析,得出以下主要结论:(1)开挖过程中,由于应力回弹作用,地下厂房会发生一定的变形.变形的最大值发生在调压室侧壁的中段,最大值为53mm.(2)开挖过程中,三个洞室之间会产生相互的影响,因此在实际施工时要合理安排开挖顺序.(3)利用上述模型分析溪洛渡工程地下厂房洞室群,得出了地下洞室群地震响应明显小于地表响应的结论,与地震实际观测的一般结论吻合.(4)不同的地震入射方向,对计算结果有一定的影响,在目前的条件下,建议在工程分析中应该计算可能的不同入射方向,选取最危险的情况进行设计.(5)溪洛渡工程地下厂房洞室群的围岩完整性较好,具有较高的抗震稳定能力,在设计地震作用下发生围岩整体失稳破坏的可能性不大.致谢 本文的研究工作得到了国家电力公司成都勘测设计研究院肖白云和王仁坤两位高工的支持和帮助,清华大学水利水电工程系张楚汉教授和徐艳杰博士也给予了大量的帮助,在此一并表示感谢.参 考 文 献:[1] 金峰,王光纶,贾伟伟.离散元2边界元动力耦合模型[J].水利学报,2001,(1).[2] Cundall P A.The Measurment and Analysis of Acceleration in Rock Slopes[D].Ph. D.Thesis,Universityof London,Imperial College Science and Technology,1971.[3] Mansur W J,Brebbia C A.Topics in Boundary Element Research(Ed.by Brebbia, C. A.)[M].Springer2Verlag World Publishing Company,1985.Application of distinct element2bound ary element coupling modelin underground structure dynamic analysisJ IN Feng1,WAN G Guang2lun1,J IA Wei2wei1(11Tsi nghua U niversity,Beiji ng 100084,Chi na)Abstract:Employing the coupling model of distinct element2boundary element,the static anddynamic analysis of underground power plant of Xiluodu Project is conducted.Some problems indistinct element simulation of underground structure are discussed.The conclusion that the dis2tinct element method can simulate the deformation of underground structures is drawn.The ef2fects of radiation damping can also be modeled,if distinct elements can be coupled with boundaryelements.The seismic responses of underground structures will be much smaller than that ofstructures on the ground surface,due to effects of radiation damping.K ey w ords:distinct element;boundary element;coupling model;underground structure;dy2namic analysis。