巖土工程大變形問題（如滑坡、泥石流、靜力觸探試驗(yàn)、打樁等）是巖土工程理論和實(shí)踐中一直以來的難點(diǎn)問題。近日，河海大學(xué)力學(xué)與材料學(xué)院袁維海副研究員以“Particle finite element method implementation for large deformation analysis using Abaqus”為題在巖土工程領(lǐng)域知名期刊Acta Geotechnica發(fā)表最新研究成果。該研究通過對Abaqus進(jìn)行二次開發(fā)實(shí)現(xiàn)了粒子有限元法（PFEM）這一大變形數(shù)值分析手段，彌補(bǔ)了傳統(tǒng)商業(yè)軟件中大變形分析功能的不足，為巖土工程大變形分析提供了簡易的計(jì)算工具，拓展了巖土工程大變形分析的新途徑，有利于PFEM方法的推廣應(yīng)用。

圖1 粒子有限元法（PFEM）計(jì)算流程

粒子有限元法將有限元網(wǎng)格中的節(jié)點(diǎn)視為自由粒子，根據(jù)分析步的位移增量更新粒子的位置，并通過周期性的計(jì)算域重新識別和網(wǎng)格重新剖分，解決傳統(tǒng)有限元法存在的網(wǎng)格扭曲問題，能有效的實(shí)現(xiàn)巖土大變形數(shù)值模擬。研究采用Abaqus的內(nèi)置函數(shù)進(jìn)行常規(guī)增量FEM分析，并使用mesh-to-mesh mapping方法實(shí)現(xiàn)場變量的映射，使用單個Python腳本就能實(shí)現(xiàn)PFEM數(shù)值模擬，顯著減少了編碼工作量，為PFEM在巖土工程中的推廣應(yīng)用奠定了基礎(chǔ)。

圖2 粒子有限元法（PFEM）在Abaqus中實(shí)現(xiàn)

研究通過分析彈性懸臂梁彎曲，剛性基礎(chǔ)貫入試驗(yàn)、T-bar貫入試驗(yàn)以及海床-管線相互作用等問題，驗(yàn)證了該方法的準(zhǔn)確性與穩(wěn)定性。結(jié)果表明，研究所提出的Abaqus-PFEM方法能夠很好解決巖土大變形及土-結(jié)構(gòu)相互作用問題。

Abaqus-PFEM方法結(jié)合了PFEM處理大變形問題的能力及Abaqus軟件強(qiáng)大的有限元求解和前后處理功能。該方法具有計(jì)算精度和計(jì)算效率高、應(yīng)力結(jié)果光滑、處理接觸非線性和材料非線性簡潔等優(yōu)點(diǎn)，為解決巖土工程大變形問題提供了新的思路和方法。

圖3 彈性懸臂梁彎曲模擬結(jié)果

圖4 剛性基礎(chǔ)貫入模擬結(jié)果

圖5 T-bar貫入模擬結(jié)果

圖6 海床-管線相互作用模擬結(jié)果

論文研究工作由國家重點(diǎn)研發(fā)計(jì)劃項(xiàng)目和國家自然科學(xué)基金項(xiàng)目等提供經(jīng)費(fèi)支持。 該論文于2021年7月入選ESI高被引論文。

論文鏈接：

Yuan W.-H., Wang H.-C., Zhang W., Dai B.-B., Liu K., Wang Y., Particle finite element method implementation for large deformation analysis using Abaqus. Acta Geotechnica, 2021, 16(8): 2449–2462.

https://link.springer.com/article/10.1007/s11440-020-01124-2

END

素材來源：河海大學(xué)官網(wǎng)、力材院

編輯：小海螺記者 郭一帆；張然、柏蓉

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