地质与岩土工程矩阵离散元分析

序

前言

第一部分 基础篇

第1章 离散元法的原理和实现 3

1.1 离散元法应用领域与数值计算软件 3

1.2 离散元法的基本原理 4

1.2.1 单元的接触模型 5

1.2.2 两个不同单元的连接 6

1.2.3 时间步迭代算法 6

1.3 单元的阻尼简谐振动 7

1.3.1 单元的阻尼力 7

1.3.2 阻尼简谐振动方程 8

1.3.3 单元振动周期与半径的关系 8

1.3.4 单元运动过程的微分 9

1.3.5 阻尼作用和最优阻尼系数 9

1.4 离散元系统的能量转换与能量守恒 11

1.4.1 系统的机械能 11

1.4.2 热量的计算 12

1.4.3 能量守恒与外力做功 14

1.5 离散元法的计算尺度和工程应用可行性 14

1.6 离散元法三大问题的认识和解决 15

1.6.1 矩阵离散元和高性能矩阵计算 16

1.6.2 离散元法的定量化建模问题 17

1.6.3 基于离散元法的多场耦合方法 19

1.7 矩阵离散元的发展和展望 20

第2章 MatDEM的基本结构 22

2.1 软件基础 22

2.1.1 运行环境和软件安装 22

2.1.2 MatDEM窗口程序 23

2.1.3 软件运行和中止 27

2.1.4 软件应用示例简介 29

2.1.5 帮助文件简介 31

2.2 MatDEM程序结构 32

2.2.1 MatDEM软件文件夹 32

2.2.2 MatDEM的层次结构 32

2.2.3 MatDEM中主要的类 34

2.3 MatDEM中的单元类型 35

2.3.1 活动单元、固定单元、虚单元 35

2.3.2 锁定单元自由度 36

2.3.3 单元编号的规则 37

2.4 MatDEM的数据结构 37

2.4.1 单元属性数组 37

2.4.2 邻居矩阵和连接信息矩阵 38

2.4.3 组的数据结构和操作 40

2.5 单元的接触模型 42

2.5.1 线弹性模型 42

2.5.2 赫兹接触模型 43

2.6 弹性clump团簇 44

2.6.1 弹性clump的原理 44

2.6.2 弹性clump的使用 45

第3章 几何建模和材料设置 48

3.1 建立数值模拟箱 48

3.1.1 建立堆积模型 48

3.1.2 生成空箱子 51

3.2 模块化建模基础 52

3.2.1 利用结构体建模 52

3.2.2 单元过滤器和单元筛选 57

3.2.3 Tool_Cut和数字高程建模 59

3.3 基于数字图像建模 60

3.3.1 导入黑白图像切割模型 60

3.3.2 导入彩色图像分块建模 62

3.4 材料设置 66

3.4.1 材料设置概述 66

3.4.2 直接输入材料性质 66

3.4.3 自动训练材料 67

3.5 平衡模型 70

3.5.1 迭代计算函数和标准平衡 70

3.5.2 强胶结平衡 71

3.5.3 邻居单元检索和零时平衡 72

3.5.4 模型平衡状态判断标准 73

3.6 裂隙和节理的设置 74

3.6.1 通过组来设置软弱层和裂隙 75

3.6.2 利用三角面来设置裂隙和节理 76

3.6.3 使用Tool_Cut来设置裂隙和节理 76

3.6.4 连接过滤器的定义和使用 76

第4章 荷载设置和数值计算 78

4.1 数值计算初始化和设置 78

4.1.1 模型参数初始化 78

4.1.2 计算相关参数设置 78

4.2 边界和荷载 79

4.2.1 边界条件 79

4.2.2 应力荷载 80

4.2.3 位移荷载 82

4.2.4 振动荷载 82

4.2.5 其他荷载 84

4.3 迭代计算时间和设置 85

4.3.1 迭代计算的运行时间 85

4.3.2 单元半径和计算耗时 86

4.3.3 动态问题的设置 88

4.3.4 准静态问题的设置和模拟精度 88

4.4 模拟参数的定义和修改 90

4.4.1 自定义参数的创建 90

4.4.2 组单元属性的修改 91

4.4.3 时间步、单元半径和刚度的设定 93

4.5 文件的压缩、保存和读取 94

4.5.1 文件的压缩 94

4.5.2 文件的保存和读取 95

第5章 后处理和系统函数 96

5.1 后处理窗口界面 96

5.1.1 后处理的主窗口 96

5.1.2 后处理图件的保存 98

5.1.3 GIF动画制作窗口 99

5.2 后处理绘图函数 101

5.2.1 d.show通用绘图函数 101

5.2.2 切片显示和过滤显示 106

5.2.3 单元位置和受力显示 108

5.3 数据处理和曲线绘制 108

5.3.1 利用保存的数据绘制曲线 108

5.3.2 利用自动记录数据绘制曲线 109

5.3.3 在MATLAB里处理数据和绘图 111

5.4 系统函数与功能 112

5.4.1 GPU计算设置和状态查看 112

5.4.2 函数的定义和运行 114

5.4.3 代码文件的批处理 115

5.4.4 随机种子和随机模型 116

5.4.5 计时函数 116

5.5 利用系统底层函数来建模 116

5.5.1 两球碰撞过程的底层建模 117

5.5.2 利用曲线图来分析碰撞过程 119

第二部分 实 践 篇

第6章 岩土工程基础应用 123

6.1 桩土作用 123

6.1.1 堆积地层模型 123

6.1.2 建立桩土作用模型 125

6.1.3 拔桩过程的数值模拟 129

6.2 隧道建模 132

6.2.1 堆积地层模型 132

6.2.2 建立隧道模型 133

6.2.3 施加荷载和数值模拟 136

6.3 盾构滚刀破岩 138

6.3.1 堆积地层模型 139

6.3.2 建立滚刀破岩模型 139

6.3.3 滚刀破岩数值模拟过程 143

6.3.4 提高滚刀破岩计算的速度 146

第7章 岩土体离散元试验 147

7.1 直剪和扭剪试验 147

7.1.1 定义试验参数和堆积试样 147

7.1.2 制作剪切盒和切割试样 149

7.1.3 将试样放入剪切盒 152

7.1.4 材料设置和数值模拟 155

7.2 真三轴试验和节理建模 158

7.2.1 构建真三轴试验箱 158

7.2.2 利用三角面和多边形定义裂隙面 159

7.2.3 利用Tool_Cut定义复杂的节理面 161

7.2.4 施加真三轴应力 165

第8章 复杂三维模型的建模 167

8.1 用数字高程定义三维层面 167

8.1.1 利用离散点获得数字高程 167

8.1.2 层面的数字高程数据处理 169

8.2 创建薄壳模型 174

8.2.1 建立几何模型 174

8.2.2 切割和堆积模型 176

8.3 建立三维边坡模型 179

8.3.1 导入材料 180

8.3.2 设置地层的材料 180

8.4 滑坡运动过程数值模拟 182

8.4.1 数值模拟参数设置 183

8.4.2 迭代计算和模拟结果 183

第9章 动力作用数值模拟 185

9.1 陨石撞击地面 185

9.1.1 堆积地层模型 185

9.1.2 建立陨石模型 186

9.1.3 陨石撞击过程模拟 189

9.2 矿山斜坡爆破 191

9.2.1 建立斜坡模型 191

9.2.2 设置爆破点和爆破能量 193

9.2.3 迭代计算和模拟结果 195

9.3 地震动力作用 196

9.3.1 建立地形和分层 197

9.3.2 地震波产生和传播过程 199 

9.2.3 迭代计算和模拟结果 195

9.3 地震动力作用 196

9.3.1 建立地形和分层 197

9.3.2 地震波产生和传播过程 199

第10章 多场耦合数值模拟 203

10.1 滑坡滑带摩擦生热 203

10.2 微波辅助破岩 205

10.2.1 建立clump团簇堆积模型 205

10.2.2 辉石和长石的分组和材料设置 206

10.2.3 辉石受热膨胀数值模拟 209

10.3 能源桩热力耦合 211

10.3.1 建立能源桩-地层模型 212

10.3.2 热力耦合过程数值模拟 214

10.4 地面沉降和地裂缝 217

10.4.1 切割地层模型 217

10.4.2 水位下降过程数值模拟 219

参考文献 221

附录 属性、函数和常见问题 224

附录A 类的属性 224

附录B 主要函数 230

附录C 常见问题解答 243