地質(zhì)與巖土工程矩陣離散元分析

序

前言

第一部分 基礎(chǔ)篇

第1章 離散元法的原理和實現(xiàn) 3

1.1 離散元法應(yīng)用領(lǐng)域與數(shù)值計算軟件 3

1.2 離散元法的基本原理 4

1.2.1 單元的接觸模型 5

1.2.2 兩個不同單元的連接 6

1.2.3 時間步迭代算法 6

1.3 單元的阻尼簡諧振動 7

1.3.1 單元的阻尼力 7

1.3.2 阻尼簡諧振動方程 8

1.3.3 單元振動周期與半徑的關(guān)系 8

1.3.4 單元運動過程的微分 9

1.3.5 阻尼作用和最優(yōu)阻尼系數(shù) 9

1.4 離散元系統(tǒng)的能量轉(zhuǎn)換與能量守恒 11

1.4.1 系統(tǒng)的機(jī)械能 11

1.4.2 熱量的計算 12

1.4.3 能量守恒與外力做功 14

1.5 離散元法的計算尺度和工程應(yīng)用可行性 14

1.6 離散元法三大問題的認(rèn)識和解決 15

1.6.1 矩陣離散元和高性能矩陣計算 16

1.6.2 離散元法的定量化建模問題 17

1.6.3 基于離散元法的多場耦合方法 19

1.7 矩陣離散元的發(fā)展和展望 20

第2章 MatDEM的基本結(jié)構(gòu) 22

2.1 軟件基礎(chǔ) 22

2.1.1 運行環(huán)境和軟件安裝 22

2.1.2 MatDEM窗口程序 23

2.1.3 軟件運行和中止 27

2.1.4 軟件應(yīng)用示例簡介 29

2.1.5 幫助文件簡介 31

2.2 MatDEM程序結(jié)構(gòu) 32

2.2.1 MatDEM軟件文件夾 32

2.2.2 MatDEM的層次結(jié)構(gòu) 32

2.2.3 MatDEM中主要的類 34

2.3 MatDEM中的單元類型 35

2.3.1 活動單元、固定單元、虛單元 35

2.3.2 鎖定單元自由度 36

2.3.3 單元編號的規(guī)則 37

2.4 MatDEM的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu) 37

2.4.1 單元屬性數(shù)組 37

2.4.2 鄰居矩陣和連接信息矩陣 38

2.4.3 組的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)和操作 40

2.5 單元的接觸模型 42

2.5.1 線彈性模型 42

2.5.2 赫茲接觸模型 43

2.6 彈性clump團(tuán)簇 44

2.6.1 彈性clump的原理 44

2.6.2 彈性clump的使用 45

第3章 幾何建模和材料設(shè)置 48

3.1 建立數(shù)值模擬箱 48

3.1.1 建立堆積模型 48

3.1.2 生成空箱子 51

3.2 模塊化建?；A(chǔ) 52

3.2.1 利用結(jié)構(gòu)體建模 52

3.2.2 單元過濾器和單元篩選 57

3.2.3 Tool_Cut和數(shù)字高程建模 59

3.3 基于數(shù)字圖像建模 60

3.3.1 導(dǎo)入黑白圖像切割模型 60

3.3.2 導(dǎo)入彩色圖像分塊建模 62

3.4 材料設(shè)置 66

3.4.1 材料設(shè)置概述 66

3.4.2 直接輸入材料性質(zhì) 66

3.4.3 自動訓(xùn)練材料 67

3.5 平衡模型 70

3.5.1 迭代計算函數(shù)和標(biāo)準(zhǔn)平衡 70

3.5.2 強(qiáng)膠結(jié)平衡 71

3.5.3 鄰居單元檢索和零時平衡 72

3.5.4 模型平衡狀態(tài)判斷標(biāo)準(zhǔn) 73

3.6 裂隙和節(jié)理的設(shè)置 74

3.6.1 通過組來設(shè)置軟弱層和裂隙 75

3.6.2 利用三角面來設(shè)置裂隙和節(jié)理 76

3.6.3 使用Tool_Cut來設(shè)置裂隙和節(jié)理 76

3.6.4 連接過濾器的定義和使用 76

第4章 荷載設(shè)置和數(shù)值計算 78

4.1 數(shù)值計算初始化和設(shè)置 78

4.1.1 模型參數(shù)初始化 78

4.1.2 計算相關(guān)參數(shù)設(shè)置 78

4.2 邊界和荷載 79

4.2.1 邊界條件 79

4.2.2 應(yīng)力荷載 80

4.2.3 位移荷載 82

4.2.4 振動荷載 82

4.2.5 其他荷載 84

4.3 迭代計算時間和設(shè)置 85

4.3.1 迭代計算的運行時間 85

4.3.2 單元半徑和計算耗時 86

4.3.3 動態(tài)問題的設(shè)置 88

4.3.4 準(zhǔn)靜態(tài)問題的設(shè)置和模擬精度 88

4.4 模擬參數(shù)的定義和修改 90

4.4.1 自定義參數(shù)的創(chuàng)建 90

4.4.2 組單元屬性的修改 91

4.4.3 時間步、單元半徑和剛度的設(shè)定 93

4.5 文件的壓縮、保存和讀取 94

4.5.1 文件的壓縮 94

4.5.2 文件的保存和讀取 95

第5章 后處理和系統(tǒng)函數(shù) 96

5.1 后處理窗口界面 96

5.1.1 后處理的主窗口 96

5.1.2 后處理圖件的保存 98

5.1.3 GIF動畫制作窗口 99

5.2 后處理繪圖函數(shù) 101

5.2.1 d.show通用繪圖函數(shù) 101

5.2.2 切片顯示和過濾顯示 106

5.2.3 單元位置和受力顯示 108

5.3 數(shù)據(jù)處理和曲線繪制 108

5.3.1 利用保存的數(shù)據(jù)繪制曲線 108

5.3.2 利用自動記錄數(shù)據(jù)繪制曲線 109

5.3.3 在MATLAB里處理數(shù)據(jù)和繪圖 111

5.4 系統(tǒng)函數(shù)與功能 112

5.4.1 GPU計算設(shè)置和狀態(tài)查看 112

5.4.2 函數(shù)的定義和運行 114

5.4.3 代碼文件的批處理 115

5.4.4 隨機(jī)種子和隨機(jī)模型 116

5.4.5 計時函數(shù) 116

5.5 利用系統(tǒng)底層函數(shù)來建模 116

5.5.1 兩球碰撞過程的底層建模 117

5.5.2 利用曲線圖來分析碰撞過程 119

第二部分 實 踐 篇

第6章 巖土工程基礎(chǔ)應(yīng)用 123

6.1 樁土作用 123

6.1.1 堆積地層模型 123

6.1.2 建立樁土作用模型 125

6.1.3 拔樁過程的數(shù)值模擬 129

6.2 隧道建模 132

6.2.1 堆積地層模型 132

6.2.2 建立隧道模型 133

6.2.3 施加荷載和數(shù)值模擬 136

6.3 盾構(gòu)滾刀破巖 138

6.3.1 堆積地層模型 139

6.3.2 建立滾刀破巖模型 139

6.3.3 滾刀破巖數(shù)值模擬過程 143

6.3.4 提高滾刀破巖計算的速度 146

第7章 巖土體離散元試驗 147

7.1 直剪和扭剪試驗 147

7.1.1 定義試驗參數(shù)和堆積試樣 147

7.1.2 制作剪切盒和切割試樣 149

7.1.3 將試樣放入剪切盒 152

7.1.4 材料設(shè)置和數(shù)值模擬 155

7.2 真三軸試驗和節(jié)理建模 158

7.2.1 構(gòu)建真三軸試驗箱 158

7.2.2 利用三角面和多邊形定義裂隙面 159

7.2.3 利用Tool_Cut定義復(fù)雜的節(jié)理面 161

7.2.4 施加真三軸應(yīng)力 165

第8章 復(fù)雜三維模型的建模 167

8.1 用數(shù)字高程定義三維層面 167

8.1.1 利用離散點獲得數(shù)字高程 167

8.1.2 層面的數(shù)字高程數(shù)據(jù)處理 169

8.2 創(chuàng)建薄殼模型 174

8.2.1 建立幾何模型 174

8.2.2 切割和堆積模型 176

8.3 建立三維邊坡模型 179

8.3.1 導(dǎo)入材料 180

8.3.2 設(shè)置地層的材料 180

8.4 滑坡運動過程數(shù)值模擬 182

8.4.1 數(shù)值模擬參數(shù)設(shè)置 183

8.4.2 迭代計算和模擬結(jié)果 183

第9章 動力作用數(shù)值模擬 185

9.1 隕石撞擊地面 185

9.1.1 堆積地層模型 185

9.1.2 建立隕石模型 186

9.1.3 隕石撞擊過程模擬 189

9.2 礦山斜坡爆破 191

9.2.1 建立斜坡模型 191

9.2.2 設(shè)置爆破點和爆破能量 193

9.2.3 迭代計算和模擬結(jié)果 195

9.3 地震動力作用 196

9.3.1 建立地形和分層 197

9.3.2 地震波產(chǎn)生和傳播過程 199 

9.2.3 迭代計算和模擬結(jié)果 195

9.3 地震動力作用 196

9.3.1 建立地形和分層 197

9.3.2 地震波產(chǎn)生和傳播過程 199

第10章 多場耦合數(shù)值模擬 203

10.1 滑坡滑帶摩擦生熱 203

10.2 微波輔助破巖 205

10.2.1 建立clump團(tuán)簇堆積模型 205

10.2.2 輝石和長石的分組和材料設(shè)置 206

10.2.3 輝石受熱膨脹數(shù)值模擬 209

10.3 能源樁熱力耦合 211

10.3.1 建立能源樁-地層模型 212

10.3.2 熱力耦合過程數(shù)值模擬 214

10.4 地面沉降和地裂縫 217

10.4.1 切割地層模型 217

10.4.2 水位下降過程數(shù)值模擬 219

參考文獻(xiàn) 221

附錄 屬性、函數(shù)和常見問題 224

附錄A 類的屬性 224

附錄B 主要函數(shù) 230

附錄C 常見問題解答 243