地質(zhì)工程、巖土工程和能源工程等領(lǐng)域的很多問題都涉及到大變形和破壞，離散元法是解決這些問題的一種重要方法。近年來，隨著國家建設(shè)和工程需求的日益增加、計(jì)算機(jī)技術(shù)和離散元理論的迅速發(fā)展，離散元法在工程應(yīng)用領(lǐng)域面臨著重大的機(jī)遇和挑戰(zhàn)。南京大學(xué)自主研發(fā)了巖土體大規(guī)模離散元模擬軟件MatDEM。軟件綜合了前處理、求解計(jì)算、后處理和強(qiáng)大的二次開發(fā)，基于創(chuàng)新的GPU矩陣離散元法，實(shí)現(xiàn)了百萬單元的離散元模擬，計(jì)算效率和單元數(shù)達(dá)到國外商業(yè)軟件的30倍，在數(shù)小時(shí)至數(shù)天內(nèi)完成大規(guī)模離散元模擬，使離散元法接近于工程應(yīng)用。本書將介紹巖土體離散元法原理，MatDEM系統(tǒng)和工程應(yīng)用。
更多科學(xué)出版社服務(wù)，請掃碼獲取。
目錄
序
前言
第一部分 基礎(chǔ)篇
第1章 離散元法的原理和實(shí)現(xiàn) 3
1.1 離散元法應(yīng)用領(lǐng)域與數(shù)值計(jì)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(gè)不同單元的連接 6
1.2.3 時(shí)間步迭代算法 6
1.3 單元的阻尼簡諧振動(dòng) 7
1.3.1 單元的阻尼力 7
1.3.2 阻尼簡諧振動(dòng)方程 8
1.3.3 單元振動(dòng)周期與半徑的關(guān)系 8
1.3.4 單元運(yùn)動(dòng)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(jì)算 12
1.4.3 能量守恒與外力做功 14
1.5 離散元法的計(jì)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(jì)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(yùn)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(yùn)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(dòng)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(dòng)訓(xùn)練材料 67
3.5 平衡模型 70
3.5.1 迭代計(jì)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(shí)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(jì)算 78
4.1 數(shù)值計(jì)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(jì)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(dòng)荷載 82
4.2.5 其他荷載 84
4.3 迭代計(jì)算時(shí)間和設(shè)置 85
4.3.1 迭代計(jì)算的運(yùn)行時(shí)間 85
4.3.2 單元半徑和計(jì)算耗時(shí) 86
4.3.3 動(dòng)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(shí)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(dòng)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(dòng)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(jì)算設(shè)置和狀態(tài)查看 112
5.4.2 函數(shù)的定義和運(yùn)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(jì)時(shí)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(shí) 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(jì)算的速度 146
第7章 巖土體離散元試驗(yàn) 147
7.1 直剪和扭剪試驗(yàn) 147
7.1.1 定義試驗(yàn)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(yàn)和節(jié)理建模 158
7.2.1 構(gòu)建真三軸試驗(yàn)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(diǎn)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(yùn)動(dòng)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(jì)算和模擬結(jié)果 183
第9章 動(dòng)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(diǎn)和爆破能量 193
9.2.3 迭代計(jì)算和模擬結(jié)果 195
9.3 地震動(dòng)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(jì)算和模擬結(jié)果 195
9.3 地震動(dòng)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
書單推薦
