岩土材料大变形破坏模拟的物质点法研究

岩土边坡失效、航天测试装置地面回收等问题均涉及到岩土的大变形破坏过程，因此，岩土材料的大变形破坏模拟成为计算固体力学领域的重要研究方向。本项目基于物质点无网格法，对岩土的大变形破坏问题进行研究。基于质点失效算法，研究边坡剪切滑移破坏模拟的物质点法。基于拉格朗日乘子法，研究岩土-结构相互作用的刚柔接触物质点算法。基于粘性阻尼法，研究物质点法模拟岩土动力学问题的吸收边界算法。本项目采用数值模拟和实验验证相结合的研究方法，为岩土材料的大变形破坏分析提供新的数值模拟方法。

(1) 基于物质点法和Drucker-Prager本构模型，开展了重力作用下岩土边坡的失效分析。开展了二维边坡坍塌试验结果和计算结果的对比分析，对算法和程序进行了验证。数值分析表明了粘性土边坡的失效模式为剪切带失效，无粘性土边坡的失效模式为极端大变形和材料流动。对于无粘性土边坡，研究了材料内摩擦角和载荷大小对边坡失效模式的影响规律。结果表明了无粘性土边坡的休止角低于材料内摩擦角，对这种现象的原因进行了深入分析。.(2) 在项目负责人构造的接触物质点算法基础上，开展了接触物质点算法及其与有限元法的比较研究。采用接触物质点算法和LS-DYNA有限元程序求解了冲击动力学问题，结果表明两者针对冲击问题的计算结果吻合较好。和金属穿甲问题的试验结果比较表明，接触物质点算法对金属穿甲问题的计算更有优势。.(3) 采用接触物质点算法对岩土的冲击问题进行了研究。对于岩土的高速冲击问题，有限元方法出现了网格扭曲和单元负体积等现象，有限元法无法完成该问题的完整求解。接触物质点算法很好地模拟了岩土的高速冲击问题，再现了岩土的成坑过程和开裂现象，这为岩土的冲击动力学分析提供了强大的数值工具。