巖土工程大變形問題（如滑坡、泥石流、靜力觸探試驗、打樁等）是巖土工程理論和實踐中一直以來的難點問題。近日，河海大學力學與材料學院袁維海副研究員以“Particle finite element method implementation for large deformation analysis using Abaqus”為題在巖土工程領域知名期刊Acta Geotechnica發表最新研究成果。該研究通過對Abaqus進行二次開發實現了粒子有限元法（PFEM）這一大變形數值分析手段，彌補了傳統商業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方法的推廣應用。

圖1 粒子有限元法（PFEM）計算流程

粒子有限元法將有限元網格中的節點視為自由粒子，根據分析步的位移增量更新粒子的位置，并通過周期性的計算域重新識別和網格重新剖分，解決傳統有限元法存在的網格扭曲問題，能有效的實現巖土大變形數值模擬。研究采用Abaqus的內置函數進行常規增量FEM分析，并使用mesh-to-mesh mapping方法實現場變量的映射，使用單個Python腳本就能實現PFEM數值模擬，顯著減少了編碼工作量，為PFEM在巖土工程中的推廣應用奠定了基礎。

圖2 粒子有限元法（PFEM）在Abaqus中實現

研究通過分析彈性懸臂梁彎曲，剛性基礎貫入試驗、T-bar貫入試驗以及海床-管線相互作用等問題，驗證了該方法的準確性與穩定性。結果表明，研究所提出的Abaqus-PFEM方法能夠很好解決巖土大變形及土-結構相互作用問題。

Abaqus-PFEM方法結合了PFEM處理大變形問題的能力及Abaqus軟件強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高、應力結果光滑、處理接觸非線性和材料非線性簡潔等優點，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果

圖4 剛性基礎貫入模擬結果

圖5 T-bar貫入模擬結果

圖6 海床-管線相互作用模擬結果

論文研究工作由國家重點研發計劃項目和國家自然科學基金項目等提供經費支持。 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

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素材來源：河海大學官網、力材院

編輯：小海螺記者 郭一帆；張然、柏蓉

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