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巖(yan)(yan)土(tu)工(gong)程(cheng)大變形(xing)問(wen)題(ti)（如(ru)滑坡、泥石(shi)流、靜(jing)力觸探試驗、打(da)樁(zhuang)等）是巖(yan)(yan)土(tu)工(gong)程(cheng)理論和實踐中(zhong)一直以來的(de)難點問(wen)題(ti)。近日，河海大學力學與材料學院袁維(wei)海副研究員以”Particle finite element method implementation for large deformation analysis using Abaqus”為題(ti)在(zai)巖(yan)(yan)土(tu)工(gong)程(cheng)領域知名期刊Acta Geotechnica發(fa)表(biao)最新研究成(cheng)果。該研究通過對Abaqus進行二次開發(fa)實現(xian)了粒子有限元法（PFEM）這一大變形(xing)數值分(fen)析(xi)手段，彌補了傳統(tong)商業軟件中(zhong)大變形(xing)分(fen)析(xi)功能的(de)不足，為巖(yan)(yan)土(tu)工(gong)程(cheng)大變形(xing)分(fen)析(xi)提(ti)供了簡(jian)易(yi)的(de)計(ji)算工(gong)具，拓(tuo)展了巖(yan)(yan)土(tu)工(gong)程(cheng)大變形(xing)分(fen)析(xi)的(de)新途徑(jing)，有利于PFEM方法的(de)推廣應用。
圖(tu)1 粒子有(you)限元法（PFEM）計(ji)算流程(cheng)
粒(li)子(zi)有(you)(you)限元(yuan)法將有(you)(you)限元(yuan)網(wang)格(ge)中的節點視為(wei)自由粒(li)子(zi)，根據分(fen)(fen)析(xi)步的位移增(zeng)量更(geng)新(xin)粒(li)子(zi)的位置(zhi)，并通過(guo)周期(qi)性的計算(suan)域重新(xin)識別和網(wang)格(ge)重新(xin)剖(pou)分(fen)(fen)解決傳統有(you)(you)限元(yuan)法存在的網(wang)格(ge)扭曲問(wen)題(ti)，能有(you)(you)效的實現巖(yan)土(tu)(tu)大變形數值模擬(ni)。研(yan)究采用(yong)Abaqus的內置(zhi)函數進行常(chang)規(gui)增(zeng)量FEM分(fen)(fen)析(xi)，并使用(yong)mesh-to-mesh mapping方法實現場(chang)變量的映射，使用(yong)單(dan)個Python腳(jiao)本就能實現PFEM數值模擬(ni)，顯著(zhu)減少了編碼工作量，為(wei)PFEM在巖(yan)土(tu)(tu)工程中的推廣應用(yong)奠定了基(ji)礎(chu)。
圖2 粒子有限元法（PFEM）在Abaqus中實現
研究通過分(fen)析彈性(xing)懸臂梁(liang)彎曲，剛性(xing)基(ji)礎(chu)貫(guan)入試驗、T-bar貫(guan)入試驗以及(ji)海床-管線相互(hu)作用等問題，驗證了該方(fang)法的(de)準(zhun)確(que)性(xing)與(yu)穩(wen)定(ding)性(xing)。結(jie)果表明，研究所提出的(de)Abaqus-PFEM方(fang)法能(neng)夠很好(hao)解決巖(yan)土(tu)大變形及(ji)土(tu)-結(jie)構相互(hu)作用問題。
Abaqus-PFEM方法結(jie)合了(le)PFEM處理大變形問題的能力及Abaqus軟件強(qiang)大的有限元求解和前后處理功能。該方法具有計算精度和計算效率(lv)高、應(ying)力結(jie)果(guo)光(guang)滑、處理接觸非(fei)線(xian)性(xing)和材(cai)料非(fei)線(xian)性(xing)簡潔等優點，為解決巖土工程大變形問題提供了(le)新的思路和方法。
圖(tu)3 彈性懸臂梁彎曲模擬結(jie)果
圖4 剛性基礎貫入模擬結果
圖5 T-bar貫入模擬結果
圖(tu)6 海床-管線相互作用模擬結果
該論(lun)文于(yu)2021年(nian)7月入選ESI高被引論(lun)文。論(lun)文研究工(gong)作由國家重點(dian)研發計劃項(xiang)目(mu)(mu)（項(xiang)目(mu)(mu)編號(hao)：2017YFC1502603）和國家自然(ran)科(ke)學基金項(xiang)目(mu)(mu)（項(xiang)目(mu)(mu)編號(hao)：41807223）等提供(gong)經費支持(chi)。
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