基于水平集-离散元方法的球谐函数颗粒材料缓冲性能分析

在自然环境与工业领域中,颗粒材料是一种常见的缓冲材料,其中大量形态各异的非球形颗粒表现出复杂的力学特性并应用于不同工程领域。本文采用球谐函数构造不同球面度和表面凹凸特性的非规则颗粒,通过水平集方法计算球谐函数颗粒间的接触点和碰撞力,并对冲击过程中球形和凹形颗粒的缓冲性能进行离散元分析。数值结果表明,颗粒床厚度、冲击速度和颗粒形状显著影响球谐函数颗粒材料的缓冲性能。颗粒床底部的冲击力峰值随着颗粒床厚度和表面凹凸性的增加而降低,同时冲击力峰值随着冲击速度和颗粒球面度的增加而增加。与球形颗粒相比,球谐函数颗粒具有凹凸表面和多接触点特性,这有利于冲击荷载向四周扩展并提高凹形颗粒的缓冲效果。     

水位变化对正倒锥体冰载荷影响的离散元分析

在海冰与锥体海洋结构的相互作用过程中,潮汐水位变化时海冰作用于锥体结构的位置改变对冰载荷具有显著影响.本文采用具有粘结破碎功能的离散元方法计算海冰与锥体作用的破坏过程.同时考虑海冰上下表面温度差异对海冰强度的影响,将离散元计算冰载荷及海冰破坏模式与渤海现场实测数据进行对比验证.离散元结果表明,海冰与正锥和倒锥碰撞时均发生弯曲破坏,且冰载荷均随水线处锥径的增大而增大.在水线处锥径相同的情况下,正锥冰载荷大于倒锥冰载荷,而正锥作用下海冰的断裂长度则较小.基于离散元计算结果和渤海现场观测资料分析了海冰与正锥、倒锥作用时冰载荷和断裂长度差异的主要原因.海冰与正倒锥交界线处作用时,一般发生弯曲破坏.当冰层中心高度与正倒锥交界线的高度相同时,海冰才会发生局部挤压破碎,但冰荷载并没有明显升高.由此可见,倒锥体结构可有效降低冰载荷从而具有较好的抗冰性能.以上研究表明离散元方法可确定海冰与锥体结构作用时的海冰破碎规律和冰载荷特性,为海洋工程结构的抗冰设计提供参考依据.     

基于巴西盘试验的海冰拉伸强度研究

海冰拉伸强度是其基本力学性能之一,同时也是冰区船舶与海洋工程结构设计所需的重要参数.对于脆性材料的拉伸强度测试,巴西盘劈裂试验相比单轴拉伸试验在试样制备与加载上具有明显的优势.为研究海冰的拉伸强度特征,对渤海辽东湾沿岸的粒状冰开展了系统的巴西盘劈裂试验研究.在加载过程中与试样破坏后,分别对加载横梁的位移与加载力以及试样最终破坏模式进行了记录.同时,对试样的冰晶结构、盐度、温度以及密度进行了测量.通过改变加载速率、试样厚度与试样温度以研究不同参数对试验结果的影响.针对传统试验中试样的刚体假设,考虑了试样变形对应力状态的影响并将其引入了理论模型.试验过程中所有海冰试样均以劈裂模式破坏.试验结果表明,加载速率与试样厚度对拉伸强度的影响并不显著,但孔隙率的影响较为明显.当孔隙率由75‰降低至10‰时,拉伸强度由1.0 MPa升高至2.8 MPa.与单轴拉伸试验所测得数据对比,巴西盘劈裂试验所得到的拉伸强度随孔隙率的变化趋势相一致.但该方法所得到的粒状冰拉伸强度要高于预期结果.试验表明巴西盘劈裂试验中海冰试样的破坏模式与试验结果均较为合理,可成为海冰拉伸强度的有效测试方法.     

基于CUDA-GPU架构的超二次曲面离散单元并行算法

大规模离散元的并行计算通常基于理想的球体单元，然而自然界或工业生产中普遍存在的是由非球形颗粒组成的复杂体系，其在不同空间尺度下的动力学行为及力学性质与球形颗粒具有显著差异.基于连续函数包络的超二次曲面单元能有效地构造非球形颗粒的几何形态，并通过非线性Newton迭代算法准确计算单元间的作用力.针对非球形颗粒间接触判断的复杂性及其大规模离散元计算的需求，该文发展了基于CUDA-GPU构架下超二次曲面单元并行算法.该方法在球形颗粒并行计算的基础上，通过核函数建立单元包围盒的粗判断列表及Newton迭代的细判断列表，并优化并行算法和内存访问模式以提高算法的计算效率.为检验超二次曲面并行算法的可靠性，对非球形颗粒的流动过程进行离散元模拟, 并与试验结果进行对比验证.在此基础上，进一步分析了颗粒单元不同长宽比和表面尖锐度对颗粒材料流动特性的影响，为非球形颗粒材料的大规模离散元模拟提供一种有效的数值方法.     

基于循环神经网络的海冰弯曲强度预测分析

海冰弯曲强度是确定锥体海洋平台、船舶和港口码头等斜面工程结构冰载荷的重要参数，是海冰力学性质的主要研究内容。本文首先对2009—2010年的渤海海冰三点弯曲试验数据进行总结，分析了温度、盐度、密度及孔隙率对海冰弯曲强度的影响。基于现场试验数据建立了海冰弯曲强度的循环神经网络（recurrent neural network,RNN）预测模型，并采用随机梯度下降法和Adam优化算法对RNN预测模型进行了优化。本预测模型将海冰温度、盐度、加载速率和密度等参数作为输入，将海冰弯曲强度作为输出。在建模过程中，数据被随机排序和归一化处理，并采用评价指标评估其模型的准确性，对RNN预测模型进行优化。将RNN模型对海冰弯曲强度的预测结果与试验经验公式结果进行了对比。预测结果表明，RNN模型对海冰弯曲强度的预测精度显著优于试验经验公式分析结果。该预测模型能有效解决海冰弯曲强度与其影响因素间的复杂的非线性关系，可为海洋工程结构的抗冰设计提供参考依据。     

水位变化对正倒锥体冰载荷影响的离散元分析

在海冰与锥体海洋结构的相互作用过程中,潮汐水位变化时海冰作用于锥体结构的位置改变对冰载荷具有显著影响.本文采用具有粘结破碎功能的离散元方法计算海冰与锥体作用的破坏过程.同时考虑海冰上下表面温度差异对海冰强度的影响,将离散元计算冰载荷及海冰破坏模式与渤海现场实测数据进行对比验证.离散元结果表明,海冰与正锥和倒锥碰撞时均发生弯曲破坏,且冰载荷均随水线处锥径的增大而增大.在水线处锥径相同的情况下,正锥冰载荷大于倒锥冰载荷,而正锥作用下海冰的断裂长度则较小.基于离散元计算结果和渤海现场观测资料分析了海冰与正锥、倒锥作用时冰载荷和断裂长度差异的主要原因.海冰与正倒锥交界线处作用时,一般发生弯曲破坏.当冰层中心高度与正倒锥交界线的高度相同时,海冰才会发生局部挤压破碎,但冰荷载并没有明显升高.由此可见,倒锥体结构可有效降低冰载荷从而具有较好的抗冰性能.以上研究表明离散元方法可确定海冰与锥体结构作用时的海冰破碎规律和冰载荷特性,为海洋工程结构的抗冰设计提供参考依据.      

广义双剪粘弹塑性本构模型在渤海海冰动力学中的应用

在连续介质力学基础上建立了一个广义双剪粘弹塑性海冰动力学本构模型。该模型在海冰屈服前采用Kelvin-Vogit粘弹性模型,考虑中间主应力和静水压力对海冰屈服的影响选用广义双剪应力屈服准则作为海冰屈服判据,屈服后采用相关联的正则流动法则。采用该本构模型对渤海海冰动力过程进行了48小时数值模拟,讨论了辽东湾海冰的厚度、密集度、冰速和主应力的分布规律,其中海冰厚度分布与卫星遥感资料符合良好,从而有效地验证了该广义双剪粘弹塑性本构模型在海冰动力学中的可靠性。     

基于球形颗粒几何排列的离散元试样高效生成方法

在球体离散元数值模拟中,颗粒的初始排列状态是影响计算效率和计算结果的重要环节。本文采用前进面几何构造算法,提出了一种基于网格搜索的球形颗粒随机排列高效算法。通过求解空间三边方程,满足了粒径设置的任意大小的颗粒依次置入前进面的外侧,并与构成前进面的三个颗粒相互接触。为获得高体积分数的颗粒簇,该算法允许颗粒改变其粒径大小。采用颗粒网格化方法可以简化前进面的搜索,并由此提高排列效率。通过计算平均配位数、体积分数和二阶结构张量的特征值,对不同粒径比下得到的立方体试样进行了分析,得到试样配位数及体积分数均随着粒径比的增大而增大,且得到的试样为各向同性。此外,空间网格的大小和初始颗粒的生成点对随机排列的效率均会产生显著的影响。最后,对非规则铁路道砟进行了精细构造及压碎模拟,发现DEM模拟得到的应力-应变曲线与试验结果基本吻合,验证了该算法得到的颗粒试样在模拟道砟裂纹起裂、扩展等过程的有效性。     

平整冰和碎冰区单桩锥体风电基础结构冰载荷离散元分析

在渤海和北黄海海域,冰载荷是影响风电基础结构振动响应及疲劳寿命的关键因素.对于单桩风电柔性结构而言,在水线处安装抗冰锥可有效降低冰载荷,保障海上风电安全运行.为分析海冰对锥体风电结构的冰载荷,基于扩展多面体离散元方法模拟了平整冰和碎冰对锥体风电结构的作用过程,分析了不同锥径和海冰密集度下的锥体风电结构冰载荷及冰激结构振...     

土工格栅加强下有砟铁路道床动力特性的离散元-有限元耦合分析

本文提出了一种可用于分析土工格栅与道砟颗粒间相互作用的离散元-有限元耦合方法。道砟颗粒采用镶嵌单元模拟,土工格栅采用梁单元计算,并在接触面上实现了离散元和有限元域间力学参数的传递。通过循环载荷作用下的计算,对比分析了土工格栅对道砟颗粒的加固性能。通过加筋后道砟颗粒的直剪试验进一步揭示了土工格栅加固作用的内在机理。结果表明：土工格栅可有效地降低有砟道床横向位移以及顶部沉降量,加筋后道砟材料的内聚力和摩擦角都有所提高。由此可见,土工格栅能够增加道砟颗粒间的自锁作用,提高道砟材料的强度,并有效地阻止剪切带从上部道砟箱向下部道砟箱贯穿。