砼坝—地基破坏的离散元方法与断裂力学的耦合模型研究

论文题目: 砼坝—地基破坏的离散元方法与断裂力学的耦合模型研究

论文类型: 博士论文

论文专业: 水利工程

作者: 侯艳丽

导师: 张楚汉

关键词: 连续非连续,离散元,刚体弹簧元,非线性断裂力学,仿真

文献来源: 清华大学

发表年度: 2005

论文摘要: 本文研究结构从小变形损伤断裂到大变形渐进破坏的全过程仿真分析方法,期望实现从连续介质到非连续介质转化的数值模拟。据此,本文系统研究并初步实现了变形体离散单元法与弥散裂缝模型和分离裂缝模型两种非线性断裂力学模型的耦合,并应用于混凝土高坝的断裂与破坏过程的工程分析中,主要研究内容包括:1.以三维刚体离散元为基础,采用在数值模型和实际结构之间建立的刚度等效、强度等效和荷载等效的原则,形成连续-非连续介质的统一模型——刚体弹簧元。应用这一方法研究了竖向横缝和水平施工缝等弱面组成的拱坝在强震条件下的整体性受损情况和破损机理。2.提出了三维变形体离散元模拟连续介质和非连续介质时的分离界面刚度选取准则。应用三维变形体离散元对梅花拱坝沿坝基的上滑失稳溃决问题进行了仿真计算;指出在沿拱坝建基面存在不利的软弱面结构与两岸坝坡平缓时,需要认真研究拱坝沿坝基的上滑失稳问题,在拱坝设计中进行相应的稳定校核。3.基于钝断裂带理论,推导了两种不同的非线性弥散断裂力学模型——固定裂缝模型和旋转裂缝模型的应力应变全量关系描述,将准脆性材料的开裂模型嵌入到变形体离散单元法的块体本构模型中,提出一种将损伤断裂模型与变形离散元结合的方法以研究连续-非连续耦合系统的破坏演化过程。4.以变形体离散元的摩尔库仑接触模型和分离式裂缝模型为基础,建议了混凝土、岩石等准脆性材料Ⅰ/Ⅱ混合型开裂的拉剪分区开裂准则以及基于缝面法向张开度的刚度强度软化的裂缝扩展准则,提出了分离裂缝模型和变形体离散元的耦合模型并用于分析准脆性材料的受拉开裂和拉剪混合型开裂行为,模型初步实现了系统在外载作用下从小变形到完全破坏的全过程仿真。5.采用本文提出的分离裂缝和变形体离散元的耦合模型分析了Koyna重力坝在动力荷载下的坝体开裂损伤行为,研究坝体在动力荷载下的稳定问题和强震下的大坝破坏模式以及再次经历相同地震时坝体的反应与累计残余变形,初步表明本文模型用于连续-断裂-非连续-破坏全过程的模拟具有可行性。

论文目录:

摘要

Abstract

第1章 绪论

1.1 工程背景与研究意义

1.2 计算力学数值方法综述

1.2.1 连续介质数值方法

1.2.2 非连续介质数值方法

1.3 离散单元法研究历史与现状

1.3.1 二维离散单元模型

1.3.2 三维离散单元模型

1.3.3 离散单元法与其他数值方法的耦合

1.4 混凝土、岩石类材料的损伤断裂行为

1.4.1 经典的力学模型

1.4.2 损伤力学模型

1.4.3 断裂力学模型

1.5 断裂力学模型与离散元方法的结合——从连续介质到非连续介质转化的数值模拟

1.6 本论文主要工作

第2章 改进的三维刚体离散元方法——刚体弹簧元方法

2.1 空间凸多面体接触检索

2.1.1 接触检索及角边修圆

2.1.2 不同接触模式接触点位置和接触方向的确定

2.2 三维刚体弹簧元基本原理

2.2.1 块体接触模型及受力分析

2.2.2 块体的运动分析

2.2.3 三维刚体弹簧元等效原则

2.3 简单算例验证

2.4 用三维刚体弹簧元研究拱坝的地震破损过程

2.4.1 使用三维刚体弹簧元模拟连续介质

2.4.2 拱坝动力破损过程模拟

2.5 本章小结

第3章 三维变形体离散元数值模型研究

3.1 空间凸多面体接触检索

3.1.1 可能接触块体的识别

3.1.2 接触检测

3.2 三维变形体离散元基本原理

3.2.1 接触模型及接触力求解

3.2.2 节点内力的求解

3.2.3 节点的运动分析

3.2.4 参数选取分析

3.2.5 三维变形体离散元的求解流程

3.3 三维变形体离散元工程应用——梅花拱坝上滑失稳分析

3.3.1 梅花拱坝工程简介

3.3.2 梅花拱坝破坏过程仿真分析

3.4 本章小结

第4章 弥散裂缝模型与离散元的耦合

4.1 弥散裂缝模型的发展

4.2 固定裂缝模型

4.3 旋转裂缝模型

4.4 混凝土张拉应变软化曲线

4.5 弥散裂缝模型与离散元的耦合

4.6 模型检验——岩石、混凝土材料Ⅰ型开裂

4.6.1 单轴拉伸

4.6.2 三点弯梁试验

4.7 岩石、混凝土材料Ⅰ/Ⅱ混合型开裂

4.7.1 Willam 混合拉剪数值实验模拟

4.7.2 Galvez 单边切口非对称三点弯梁试验

4.8 本章小结

第5章 分离裂缝模型与离散元的耦合

5.1 分离裂缝模型

5.1.1 Ⅰ型分离裂缝模型

5.1.2 弥散裂缝模型和分离裂缝模型的等价性比较

5.1.3 Ⅰ/Ⅱ混合型分离裂缝模型

5.2 分离裂缝模型与离散元的耦合

5.3 准脆性材料Ⅰ型开裂模拟

5.3.1 单轴拉伸

5.3.2 三点弯梁试验

5.4 准脆性材料Ⅰ/Ⅱ混合型开裂模拟

5.4.1 Galvez 单边切口非对称三点弯梁试验

5.5 本章小结

第6章 Koyna 重力坝动力破损过程模拟

6.1 非线性断裂力学的动力计算模型

6.2 工程概况及已有的相关研究

6.3 线弹性动力计算

6.4 Koyna 坝动力破损过程分析

6.4.1 计算模型与参数

6.4.2 坝体动力破损过程

6.5 本章小结

第7章 结论与展望

7.1 主要研究成果和结论

7.2 研究工作展望

参考文献

致谢

个人简历、在学期间发表的学术论文与研究成果

发布时间: 2007-03-14

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