粘接-映射混合算法及其对颗粒材料中板的振动特性分析

结构与颗粒材料相互作用广泛存在于各工程领域,其研究过程中涉及的连续-离散耦合计算方法面对诸多挑战.本文提出了粘接-映射混合算法来研究连续体与离散介质耦合动力学问题.将连续体模型划分为内部区域及与颗粒接触的边界区域.边界区域采用粘接算法模拟连续体外部形状并使用高效的球形接触判断准则;提出一种包含Rayleigh阻尼映射的有限元映射质点弹簧算法来精确计算连续体内部区域内力和变形.二者相结合构成粘接-映射混合算法,并引入计算机集群和GPU(图形处理器)并行技术,对埋没于颗粒材料中受激振动固支方板的连续-离散耦合动力学问题进行了数值仿真研究.结果表明,粘接-映射混合算法有利于双层级并行算法的程序实现及优化,并在连续-离散耦合界面进行快速接触判断的同时实现对颗粒材料中方板位移、变形、振动形态等参数的研究.通过定幅扫频和定频变幅方式考察激振力频率和幅值对振动板非线性动力学行为的影响并观察到二倍周期现象,同时给出了该连续-离散耦合系统中颗粒体系的能量耗散特性.      

基于区域分解算法的地下水耦合模型及其应用

根据岩体中不同区域裂隙发育规模的差异分为连续区域和离散区域,在不同区域中使用不同的地下水运动数学模型,应用区域分解算法来解决这类问题。其中连续区域采用了等效连续介质模型,离散区域采用了随机裂隙网络模型,通过区域公共边界上水位和流量连续的条件将两模型耦合求解。将基于区域分解算法的耦合模型应用于锦屏水电站坝址区三维渗流场的模拟中,通过钻孔观测水位和计算水位的对比发现,该方法是有效的,能够应用于实际工程。     

粘接–映射混合算法及其对颗粒材料中板的振动特性分析

结构与颗粒材料相互作用广泛存在于各工程领域,其研究过程中涉及的连续–离散耦合计算方法面对诸多挑战.本文提出了粘接–映射混合算法来研究连续体与离散介质耦合动力学问题.将连续体模型划分为内部区域及与颗粒接触的边界区域.边界区域采用粘接算法模拟连续体外部形状并使用高效的球形接触判断准则;提出一种包含Rayleigh阻尼映射的有限元映射质点弹簧算法来精确计算连续体内部区域内力和变形.二者相结合构成粘接–映射混合算法,并引入计算机集群和GPU(图形处理器)并行技术,对埋没于颗粒材料中受激振动固支方板的连续–离散耦合动力学问题进行了数值仿真研究.结果表明,粘接–映射混合算法有利于双层级并行算法的程序实现及优化,并在连续–离散耦合界面进行快速接触判断的同时实现对颗粒材料中方板位移、变形、振动形态等参数的研究.通过定幅扫频和定频变幅方式考察激振力频率和幅值对振动板非线性动力学行为的影响并观察到二倍周期现象,同时给出了该连续–离散耦合系统中颗粒体系的能量耗散特性.     

DEM与FEM动态耦合算法研究

离散单元法作为一种有效的数值分析方法,能够模拟脆性材料的裂纹扩展及碎片飞散等破坏特性,但是无法从根本上克服计算效率低下的诟病;传统有限单元法具有计算高效稳定的优点,却难以描述脆性材料冲击破坏过程中连续体向非连续体的转化。本文首先提出一种基于罚函数法的改进型离散单元和有限单元耦合方法,以提高耦合分析精度。在此基础上提出了动态耦合算法:即在初始阶段,模型全部为有限单元,当局部即将发生破坏时,仅使即将发生破坏的有限单元及相邻单元自动转化为离散单元,在离散单元区域研究破坏问题。这种算法充分利用有限单元法计算高效的优点,同时最大限度克服了离散单元法计算效率的不足。最后,通过两个简单算例验证了改进型耦合算法和动态耦合算法的有效性。     

岩石化学腐蚀-围压细观损伤本构模型与离散元模拟研究

基于Lemaitre应变等价性假设理论,假定受水化学-力耦合损伤的岩石微元强度服从Weibull分布,考虑化学腐蚀与围压耦合作用对岩石力学参数的影响,通过核磁共振技术与损伤力学理论,引入细观化学损伤变量与力损伤变量,并认为微元破坏符合SMP准则,建立岩石化学腐蚀-力耦合损伤本构模型,并采用理论推导的方法得出所需的模型参数。同时基于颗粒离散元方法,引入参数半径乘子来改变颗粒间的黏结接触尺寸,从而模拟水化学损伤,采用平直节理模型对水化学作用后的岩石进行三轴压缩模拟,得到了水化学作用和不同围压下的岩石三轴应力-应变模拟曲线。通过对比所构建的岩石化学腐蚀-力耦合损伤本构模型理论曲线、离散元模拟曲线和试验曲线,结果表明三者吻合度较好,能够很好地反映岩石在化学腐蚀和围压耦合作用下的力学特性与破坏特征,并通过离散元方法得到了岩石在三轴压缩过程中裂纹的产生与分布情况。     

锚杆拉拔力学作用机制的DDA方法模拟研究

为研究锚杆拉拔实验中锚杆与岩体间的力学作用过程和机制,在非连续变形分析(discontinuous deformation analysis, DDA)方法中实现锚杆-岩体界面耦合作用算法,采用多线性黏结滑移界面模型模拟锚杆的滑移脱黏,并针对锚杆拉拔力作用节点和脱黏节点提出专门算法。通过模拟结果与实验结果的对比,对文献中的三线性和四线性黏结滑移界面模型进行参数修正,并验证所提锚杆-岩体界面耦合作用算法的正确性和适用性。通过基于修正参数的多线性黏结滑移界面模型的锚杆拉拔DDA模拟,研究了锚杆的拉拔力-拉拔位移关系,以及不同拉拔力条件下锚杆-岩体界面切应力和锚杆轴力的分布与变化规律,并探讨了锚杆弹性模量对锚杆拉拔力学响应的影响。锚杆-岩体界面耦合作用算法的实现,也为岩体锚固的DDA模拟分析创造了条件。     

基于离散-连续耦合方法的隧道压力拱特性研究

隧道压力拱问题一直是隧道工程研究的关键问题,目前常用的连续介质数值模拟方法对于隧道压力拱特性的微观研究有所欠缺,而擅长微观力学研究的离散元数值模拟方法对计算机存储空间和计算时间的要求太高。基于现有离散-连续耦合思路,通过力的传递实现离散-连续模型的耦合;研究了耦合算法中的平均应力计算方法、平均应力计算区域面积及耦合程序遍历颗粒方法;基于自行开发优化的离散-连续耦合程序,模拟了隧道开挖后的围岩受力特性,研究了隧道压力拱形成机理及压力拱特性;计算了埋深分别为10 m,14 m,18 m,22 m,26 m,30 m和34 m情况下的隧道开挖产生的压力拱应力集中等效区域,揭示了隧道压力拱随着隧道埋深的变化规律。研究结果表明,自行开发优化的离散-连续耦合程序能在保证计算精度的前提下,充分发挥离散元方法在微观力学研究方面的优势;隧道开挖后,开挖面周边范围出现层状压力环,但在拱顶和仰拱底附近区域的围岩压力环的环间接触力降低,围岩承载能力急剧降低,形成压力拱;随着隧道埋深的增加,隧道压力拱应力集中等效区域减小,隧道周边围岩的压力拱承载能力越来越大;但当隧道埋深达到一定界限后,隧道压力拱高度趋于稳定。     

基于分子动力学模拟的多晶结构微观热-力耦合行为的计算

基于分子动力学模拟,建立了一套可用于表征微观下多晶结构热-力耦合行为的算法框架。该算法的要点是将连续模型和分子模拟耦合起来,并使守恒定律在微观连续模型和原子层次上都得到满足,与利用传统的连续介质力学建立晶界与晶粒的本构方程相比,本模型中的连续流是通过原子模型准确计算得到的,从而避免了使用经验的本构方程。     

水力压裂中裂纹扩展的数值模拟

水力压裂是在高压粘滞流体或清水作用下地层内裂缝起裂与扩展的过程。由于包含岩石断裂和流-固耦合等复杂问题,对该过程的数值模拟具有相当大的挑战性。本文建立基于有限元与离散元混合方法的裂纹模型,模拟岩石裂纹扩展,实现了连续向非连续的转化;建立双重介质流动模型,裂隙流作为孔隙渗流的压力边界,孔隙渗流反作用裂隙的压力求解,处理了流体在基岩与人工裂缝中的协调流动;将裂纹模型与流体流动模式进行结合,建立断裂-应力-渗流耦合形式的力学模型,进一步分析了水力压裂的基本过程,综合多种数值计算方法,编写程序,在验证岩体裂纹模型与双重介质流动模型有效性的基础上,对压裂过程进行复现,将模拟结果与文献结果进行了对比,并讨论了所构建模型的优缺点。     

饱和土–隧道动力响应的2.5维有限元–边界元耦合模型

针对饱和土中异形隧道的三维动力响应问题,建立了2.5维有限元与边界元耦合模型.将隧道结构视为弹性体,采用2.5维有限元建立隧道模型;将地基土视为饱和多孔介质,采用2.5维边界元建立饱和土体模型.借助组合辅助问题基本解消除了边界积分方程的奇异性.利用饱和土与隧道接触面的位移、面力连续和完全透水或完全不透水边界条件,实现2.5维有限元和边界元模型的耦合求解.模型具有计算效率高、适用范围广的优点.通过与完全透水和完全不透水边界条件下轴对称问题的半解析解以及单相介质的2.5维有限元与边界元耦合模型对比,验证了本文模型的正确性.最后利用该模型计算了饱和土体中类矩形隧道在移动载荷作用下的三维动力响应,分析了不同土体渗透性下位移及孔隙水压力沿隧道轴向、环向和深度的分布规律.结果表明:(1)孔隙水压力随土体渗透性增大而显著减小,位移受土体渗透性影响小;(2)位移及孔隙水压力在隧道环向主要分布在距载荷作用点两侧约2 m的范围内;(3)孔隙水压力沿深度的衰减比土体位移快,且孔隙水压力和轴向位移沿深度的分布受土体渗透性影响大.     

土-地铁车站及其上盖结构体系地震反应分析

为研究地震作用下地铁车站及其上盖结构体系的地震反应特征，本文以一典型的地铁车站及上盖结构体系为背景，采用ABAQUS软件建立土-地铁车站及其上盖结构体系的三维有限元模型，利用等效线性化方法考虑土的非线性，以不同类型的单向地震波和双向地震波（含水平向和竖向）作为输入，对土-地铁车站及其上盖结构体系进行了地震反应分析，比较了不同类型地震波作用下地铁车站及其上盖结构体系地震反应的差异，探讨了竖向地震动效应和转换梁刚度的影响．本文的算例结果表明：与普通基岩波和El-centro反演波输入相比较，在长周期基岩地震波作用下地铁车站及其上盖结构体系的内力响应和位移响应均最大．这一地铁车站及其上盖结构体系的薄弱部位位于地铁车站底层第2列、第3列柱的柱端和侧墙与底板连接处．竖向地震动对地铁车站及其上盖结构体系中柱的轴力响应值有较大影响．对于本文的动力计算工况，适当弱化转换梁刚度可降低上盖结构层间位移角的动力响应值．     

LIMIT STATE DETERMINATION FOR A SUBWAY STATION STRUCTURE BY INCREMENTAL DYNAMIC ANALYSIS1)

-5 表征地下结构抗震性能的研究不多,而性能化设计方法需要确定结构物在地震作用下的极限状态. 本文根据地铁车站特点,从结构变形性能和止水性能两个方面定义了抗震性能的四个极限状态,并以结构最大层间位移角 作为特征指标. 以上海某多层地铁车站为背景,建立了土--结构二维有限元模型,采用增量动力分析法 研究该类结构的抗震极限状态,建立了增量动力分析法的地震动强度指标结构底部峰值加速度与结构性能指标最大层间位移角 的关系曲线,给出了该地铁车站结构4个极限状态的最大层间位移角界限值.     

多维地震波作用下地铁车站及场地的地震反应

研究了不同类型多维地震波作用下地铁车站及软土场地的地震反应特征。以上海软土场地条件下的某双层地铁车站为背景,采用有限元方法建立了描述场地土与地铁车站结构相互作用的二维非线性力学模型,其中利用等效线性化方法模拟了土的非线性。以不同类型基岩的多维(含水平向和竖向）地震波作为输入,运用ANSYS软件数值分析了软土场地中地铁车站结构及场地的地震反应,比较了不同类型地震波作用下地铁车站结构和场地地震反应的差异．算例结果表明：在长周期地震波作用下地铁车站结构的内力响应峰值以及场地地表的加速度响应峰值和位移响应峰值均明显大于普通地震波作用下的相应值;考虑竖向地震动时双层地铁车站底层中柱的柱底轴力较单一水平向地震动作用的情形有明显增大;地铁车站的存在使结构上覆土层加速度响应峰值和位移响应峰值有所降低．     

An integrated smoothed particle hydrodynamics model for complex interfacial flows with large density ratios

In this paper, an integrated smoothed particle hydrodynamics (SPH) model for complex interfacial flows with large density ratios is developed. The discrete continuity equation and acceleration equation are obtained by considering the time derivative of the volume of particle and Eckart's continuum Lagrangian equation. A continuum surface force model is used to meet the fact that surface force may not be distributed uniformly on each side of the interface. An improved boundary condition is imposed to model wall free-slip and no-slip condition for interfacial flows with large density ratios. Particle shifting algorithm (PSA) is added for interfacial flows by imposing the normal correction near the interface, called as Interface-PSA. Then four representative numerical examples, including droplet deformation, Rayleigh-Taylor instability, dam breaking, and bubble rising, are presented and compared well with reference data. It is demonstrated that inherent interfacial flow physics can be well captured, including surface tension and the dynamic evolution of the complex interfaces.     

大跨度Y形柱地铁车站结构地震反应研究1）

随着地铁建设的发展,出现了一种新型的结构形式-大跨度Y形柱地铁车站结构,与现有的地铁车站结构完全不同,其空间高大宽敞,环境舒适.为研究该新型地铁车站结构的抗震性能,以北京地铁6号线新华大街站为工程背景,使用FLAC^3D软件建立土与地下结构三维有限差分动力模型,模拟其在新华大街人工波作用下的响应过程,重点分析了车站Y形柱和侧墙的加速度、位移、应变的规律,并与试验结果进行了对比分析,结果表明：数值模拟与振动台试验结果基本一致,体现出了相似的规律性;Y形柱加速度最大位置出现于柱顶端稍下位置,并非于柱顶端;Y形柱分叉位置处应变出现突变,此点相对于柱底的位移最大,且变化率较大,是抗震设计中需要加强的部位;Y形柱加速度、位移变化都会大于侧墙.上述研究成果对提高该类地铁车站结构抗震性能的认识及抗震设计水平提供了合理的参考与指导.     

近断层地震动作用下地铁车站中柱减震效果研究

为研究近断层地震动作用下地铁车站中柱减震效果,本文首先从PEER 强震数据库中选取我国台湾集集大地震中典型近断层地震动记录,进行了近断层地震动频谱特性分析．然后,以某地铁车站为背景,分别建立中柱安装橡胶隔振支座和没有安装橡胶隔振支座的土-地铁车站结构相互作用体系有限元模型．在此基础上,选取4 条具有明显脉冲特性的近断层地震动记录和El Centro 波作为输入,对土-地铁车站结构相互作用体系进行了地震反应分析,对比分析了减震模型和原型结构的位移响应和应力响应等结果,探讨了近断层地震动作用下地铁车站中柱的减震效果．结果表明：近断层脉冲型地震动具有较大的加速度、速度和位移时程幅值,并有明显的速度脉冲效应,0.1~1 Hz 的低频成分丰富;在地铁车站中柱柱端安装橡胶支座后,改变了车站结构的传力机制,使得顶板的内力及变形不能有效的传递到中柱上,起到了非常明显的减震效果;中柱增设橡胶支座后结构整体刚度变小,车站结构侧墙内力和水平变形较原型结构有明显增大．     

隧道下穿地铁拟换乘车站施工监测与安全分析

隧道下穿地铁既有车站为重大风险工程,下穿拟换乘车站时更应进行严格的风险评估与控制,以保证工程施工前后地铁车站的安全运营。本文主要就某新建隧道下穿北京地铁拟换乘车站万寿路站的风险评估和第三方监测进行研究。新建隧道施工可诱发既有车站结构的沉降,造成车站轨道过量变形,进而影响地铁安全运营,本工程采用了结构检测、施工影响模拟预测和第三方监测等工程风险评估和控制手段,结果表明万寿路站受隧道施工影响较小,地铁运营未受影响。     

关联参照模型和位错发射过程的分子动力学模拟

提出关联参照模型和随位错位置变化的柔性位移边界条件．提供了一个在固定位移边界条件下位错穿越边界的方法．应用三维分子动力学方法研究了体心立方（ＢＣＣ）金属晶体钼裂尖发射位错的力学行为．     

Simulation of particle/fluid flows in vertical circular pipes

A two fluid continuum model is applied to the simulation of steady fully developed particle/fluid flow in a vertical circular pipe. Both closed form and numerical solutions are obtained to the associated governing equations. These solutions are compared to the predictions of another two fluid continuum model. These comparisons are used to illustrate the differences in the predictions of two widely used models, even in the fundamental problem of steady flow in a circular pipe.     

Multiscale Model for Assessing Effect of Bacterial Growth on Intrinsic Permeability of Soil: Model Description

A multiscale model is proposed for assessing the impact of bacterial growth attached to soil particles on intrinsic permeability of soil. The model combines two modules. One of the modules solves the equations describing multiphase reaction–diffusion–transport model at the macroscopic [Representative Elementary Volume (REV)] scale, augmented with an equation for attached biomass growth. This module is used as an upscaling environment. The other module in the coupling set is a cellular automaton (CA) model for bacterial growth attached to soil particles. The coupling is achieved by having the CA module model bacterial growth at the pore level and integrating the result to provide information at the REV level. The details of the two modules, the links between them and an algorithm for simulation using the coupled model are described. The two modules are designed to work alternately till the end of a simulation period. The continuum module (reaction–diffusion–transport augmented with attached biomass growth equation) calculates the change in attached biomass. This is followed by the determination of a change in the states of cells in the CA module. Any change in the states necessitates a recalculation of permeability values to be used for the next time step of the continuum module. A companion paper gives results on using this coupled model to simulate a column experiment.