脆塑性岩石破坏后区力学特性的面向对象有限元与无界元耦合模拟研究

论文题目: 脆塑性岩石破坏后区力学特性的面向对象有限元与无界元耦合模拟研究

论文类型: 博士论文

论文专业: 岩土工程

作者: 史贵才

导师: 葛修润

关键词: 面向对象有限元,无界元,耦合,脆塑性岩石,破坏后区特性,应力脆性跌落,屈服准则

文献来源: 中国科学院研究生院（武汉岩土力学研究所）

发表年度: 2005

论文摘要: 现代计算技术在计算能力和存储容量上的革命仅仅提供了计算更复杂问题的有效工具,而程序的高效性是我们永恒的追求。本文试图从两方面着手,应用面向对象的程序设计方法来提高程序的开发和维护效率;在有限元分析中纳入无界单元以减小岩土工程的计算区域,从而提高程序的计算效率,最终为脆塑性岩石破坏后区力学特性的数值模拟服务。本文分别对面向对象的程序设计方法、无界单元方法以及岩石破坏后区力学特性进行了系统的研究,主要工作如下:1、在系统地研究了面向对象程序设计方法的基础上,建立了有限元三维非线性分析的面向对象模型。2、采用面向对象的程序设计语言Visual C++,嵌入Matlab数学库,利用其强大的矩阵运算功能,开发了运行于Windowsxp/2000/NT操作系统的,适用于岩土工程二维和三维有限元分析的面向对象有限元分析软件EBPFEM。该软件能进行弹塑性或弹脆塑性有限元计算,能较好的模拟脆塑性岩石的力学性能,可以考虑开挖卸荷;程序中加入了节理单元,可以模拟岩体中的不连续面;程序中还纳入了无界单元,可以模拟岩土工程中经常涉及到的无限和半无限域问题。3、在对无界单元方法进行了系统而全面的回顾与总结的基础上,分别阐述了映射无界元和衰减无界元的基本原理及其形函数的具体构造方法,总结了几种常用的映射无界元和衰减无界元的形函数,并且详细推导了一种简单而又非常实用的无界单元—6节点三维无界元的形函数以及其它相关计算公式。4、在前人工作的基础上,对岩石的应力应变全过程曲线分类进行了有益的探讨;应用塑性位势理论,详细推导了对应于不同屈服准则的应力脆性跌落过程塑性流动因子的确定方法,并且给出了非理想脆塑性模型应力脆性跌落过程中产生的非零位移增量的一种简便的近似处理方法。5、分别对大理岩、红砂岩和花岗岩等几种脆性比较明显的岩石进行了应力脆性跌落系数的试验研究。研究表明脆塑性岩石的脆性是相对的,随着围压的增大,岩石逐渐由脆性向延性转化;脆塑性岩石的应力脆性跌落在围压不大的情形下发生,其应力脆性跌落系数是围压的函数;并给出了大理岩和红砂岩的应力脆性跌落系数与围压的关系表达式。6、对非线性有限元分析中不同屈服条件进行了对比研究。研究表明,在三维情形下,采用不同的广义Von Mises条件来逼近莫尔—库仑条件时,Drucker-Prager条件偏于保守,真正的逼近Mohr-Coulomb条件应该介于内角圆和外角圆之间,内角圆偏于保守而外角圆偏于危险,所以等面积圆是相对合适的折中选择。7、将应用面向对象方法开发的三维弹-脆-塑性有限元与无界元耦合分析软件EBPFEM对小湾水电站地下洞室群的围岩稳定性进行了不同屈服条件下的分析。证明了本文所设计的分析软件的有效性和实用性,对类似的工程具有一定的参考意义。

论文目录:

第1章 绪论

1.1 面向对象有限元法的研究现状

1.2 无界单元法的研究现状

1.3 脆塑性岩体分析

1.4 本文主要内容

第2章 面向对象程序设计的基本概念与基本原理

2.1 使用面向对象的方法来编写程序的必要性

2.2 面向对象方法的起源与发展

2.3 面向对象的程序设计方法的基本思想

2.4 面向对象方法的基本概念

2.5 面向对象程序设计方法的主要特征

2.6 面向对象程序设计的基本过程

2.7 本章小结

第3章 面向对象有限元程序设计

3.1 概述

3.2 面向对象有限元分析

3.3 面向对象有限元设计

3.4 面向对象有限元实现

3.5 Matlab与C++混合编程方法介绍

3.6 本章小结

第4章 无界单元法

4.1 概述

4.2 衰减无界元

4.3 映射无界元

4.4 六节点三维无界单元

4.5 本章算例

4.6 本章小结

第5章 脆塑性岩体分析原理

5.1 岩石的全过程曲线与岩石的分类

5.2 脆塑性岩石数值模拟模型

5.3 经典塑性理论对软化材料软化速率的限制

5.4 应变空间中表述的弹塑性理论

5.5 利用塑性位势理论来确定应力跌落

5.6 应力脆塑性跌落过程中的位移增量的工程近似处理

5.7 本章小结

第6章 脆塑性岩石应力脆性跌落系数的试验研究

6.1 试验目的

6.2 试验设备及试样

6.3 试验步骤

6.4 应力脆性跌落系数的试验确定

6.5 本章算例

6.6 本章小结

第7章 不同屈服条件的对比研究

7.1 概述

7.2 岩土材料的屈服条件

7.3 用广义Mises屈服条件去逼近摩尔-库仑屈服条件的研究

7.4 本章小结

第8章 工程应用

8.1 工程概况

8.2 主要工程地质概况与岩体力学参数

8.3 小湾水电站地下洞室有限元分析

8.4 本章小结

第9章 结语与展望

9.1 主要结论及认识

9.2 展望

参考文献

硕博连读期间参加的科研项目和发表的论文

致 谢

发布时间: 2006-12-28

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