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基于 Abaqus 的岩土工程应用动态大变形颗粒有限元方法
A dynamic large-deformation particle finite element method for geotechnical applications based on Abaqus
1. 主要摘要
本文提出了一种基于Abaqus的动态大变形颗粒有限元法（Abaqus-DPFEM），用于解决岩土工程中的大变形问题。通过周期性网格重生成以及最近点投影法，避免了网格失真，提高了解的准确性和稳定性。文章详细描述了Abaqus-DPFEM的实现步骤，并通过四个数值算例验证了该方法的准确性。结果表明，Abaqus-DPFEM能够有效解决岩土工程中大变形的动力学问题，具有广泛的应用潜力。
2. 引言
在岩土工程中，许多问题涉及土体的大变形，例如锥形贯入试验、软地基上的基础承载力测试、以及海床中安装支撑基础等。在这些问题中，几何非线性和材料非线性都必须考虑。传统的有限元法由于网格失真问题，在大变形问题上表现不佳。为了解决这些问题，本文扩展了颗粒有限元法（PFEM）的应用范围，将其应用于动力学大变形问题，并提出了基于Abaqus的动态PFEM实现方法。
3. 主要内容
（1）控制方程与时间积分方案：通过拉格朗日更新形式解算线性动量守恒方程，利用Newmark方法进行隐式时间积分，确保求解过程中的稳定性。
（2）Abaqus-DPFEM的实现流程：DPFEM方法通过将计算域离散成一系列“颗粒”节点，在每一步进行网格的周期性重生成，并通过最近点投影法将场变量从旧网格映射到新网格上。文中详细描述了在Abaqus中实现DPFEM的流程和代码结构。
（3）数值算例：通过四个数值算例验证了Abaqus-DPFEM的有效性：
弹性杆的轴向振动：用于验证变量映射的准确性，结果显示与解析解非常吻合。
Tresca粘土中刚性基础的贯入：考察了刚性基础在大变形下的响应，与其他数值解法的结果一致。
颗粒材料的塌陷过程：模拟了铝棒的坍塌过程，显示了颗粒有限元法在模拟大变形颗粒流中的有效性。
隧道面塌陷：模拟了隧道面在颗粒材料中的塌陷过程，验证了Abaqus-DPFEM在复杂地质环境中的应用能力。
4. 主要结论
本文提出的Abaqus-DPFEM通过拉格朗日更新方式处理动态大变形问题，避免了网格失真并提高了计算精度。数值算例的结果表明，该方法能够有效解决岩土工程中涉及的动态大变形问题，且具有较高的计算效率和准确性。未来，该方法有望广泛应用于地质灾害模拟、土壤-结构相互作用等领域。
5. 主要结果图
6. 参考文献
一区TOP期刊《Energy》— CFD-DEM模拟分析水力压裂工程中的两相流动问题
一区TOP期刊《Separation and Purification Tech》—新型非对称双室电化学反应器的设计与性能评估
一区TOP期刊《Chemical Engineering Journal 》—COMSOL模拟冲击波电渗析过程中的关键参数
一区TOP期刊《Chemical Engineering Journal 》—PBI膜的形态调控及其在锂金属电池中的性能提升
一区TOP期刊《Chemical Engineering Journal 》—COMSOL模拟煤泥微波加热过程
一区TOP期刊《Energy》—CFD-DEM耦合模拟颗粒高速自旋和热传递的规律
一区TOP期刊《Energy》—ANSYS与COMSOL电磁-热耦合模型对比分析
一区TOP期刊《Computers and Geotechnics》— 三维耦合MPM模拟隧道面在水力-机械作用下的坍塌机制
一区TOP期刊《Energy》— COMSOL模拟考虑沉积压缩效应的天然气水合物降压开采储层物理和力学特性的演变
一区TOP期刊《Energy》— VOF-DEM耦合模拟气-液-固多相流混合过程中的传质
一区TOP期刊《Energy》— CFD-DEM模拟颗粒在页岩孔隙中堵塞问题
一区TOP期刊《Energy》— 高剪切流动的 CFD-DEM 数值模拟方法
一区TOP期刊《Energy》— 超临界 CO2热泵系统扁管气体冷却器结构分析与优化
