船舶与海洋平台结构冰载荷的高性能扩展多面体离散元方法

船舶与海洋平台结构的冰载荷是寒区海洋工程结构物设计中的关键参数,而离散元方法是有效计算结构冰载荷的重要手段. 本文采用基于闵可夫斯基和原理的扩展多面体离散元方法模拟船舶与海洋平台结构的相互作用过程. 其中,构造扩展多面体的近似包络函数并建立了基于优化模型的快速接触搜索算法;考虑单元间粘结作用的刚度软化过程建标识码元间的粘结-破碎模型. 同时,发展了 CPU-GPU 协同异构环境下的高性能并行算法. 为分析海冰与海洋结构作用中的冰载荷,采用ISO标准验证了扩展多面体离散元分析结构冰载荷的准确性. 采用离散元方法计算了船舶结构的冰载荷,研究了船舶结构表明的线载荷分布特点,并采用船舶结构冰阻力经验公式验证了计算结果的合理性. 采用离散元方法计算了平整冰区与多桩腿平台结构的相互作用,分析各桩腿上的冰载荷特点. 针对碎冰区的海冰管理过程,采用离散元方法分析了船舶结构绕行过程中的船舶和海洋平台结构冰载荷. 本文方法可有效应用于海洋结构冰载荷分析,能为极地船舶与海洋平台结构的设计和安全运行提供科学的分析手段.      

海冰动力学数值模拟中改进的PIC方法

为了准确地模拟海冰的动力过程,需要建立精确有效的数值方法。本文结合质点网格法(PIC)和光滑质点流体动力学方法(SPH)发展了一种改进的PIC方法。该方法在欧拉坐标下对海冰动量方程进行差分计算,在拉格朗日坐标下进行海冰质点位移、厚度和密集度计算,并采用Gauss函数进行欧拉网格点与拉格朗日质点间海冰参数的交互插值。采用改进的PIC方法对规则区域内的海冰堆积过程进行了数值试验,对渤海海冰的动力过程进行了72小时数值模拟。计算结果均表明改进的PIC方法具有计算量小,计算结果平稳精确的优点,可很好地适用于海冰动力作用过程的数值模拟。     

铁路道床有砟-无砟过渡段动力特性的DEM-FEM耦合分析

针对铁路道床有砟-无砟过渡段的结构特点,采用离散元-有限元耦合模型分析散体道砟和无砟道床间过渡段的动力特性。散体道砟道床和无砟道床分别采用离散元方法 DEM和有限元方法 FEM模拟,而在过渡段将道砟颗粒嵌入无砟道床以增加道砟颗粒与无砟道床间的咬合力,并在离散元和有限元耦合区域实现了力学参数的传递。采用以上DEM-FEM耦合方法对有砟-无砟道床及其过渡段在列车荷载作用下的沉降过程进行了数值分析。计算结果表明,离散元方法中道砟颗粒间的力链呈现非对称梯形分布,其与有限元方法中的应力分布趋势一致;采用嵌入式道砟颗粒的方法可以增加有砟-无砟过渡段道砟间的咬合力,有效约束道砟颗粒的位移,减少有砟-无砟道床间的沉降差异。本文计算模型可以合理地分析有砟道床的力链分布以及无砟道床的应力分布,确定列车荷载下道床有砟-无砟过渡段的动力学行为。     

基于Voronoi切割算法的碎冰区构造及离散元分析

离散元方法广泛应用于海冰，特别是碎冰区的动力过程及其对海洋结构作用过程的数值模拟。为构造碎冰区中的冰块几何特性，基于二维Voronoi图方法对计算域进行随机切割以生成碎冰区中冰块的几何形态，并采用球体单元对每个碎冰块单元进行填充，从而确定碎冰区的初始分布场。在采用Voronoi图进行碎冰区构造时，可对冰块尺寸、几何形态和密集度等海冰参数进行设定。为确定冰块的不同几何规则度，综合采用排斥法和扰动法以定量地控制碎冰块几何形态从完全随机分布到规则分布的连续变换。为分析不同几何规则度下碎冰块的几何特性概率分布规律，对计算域内冰块的面积和边数等参数进行统计分析，从而可更合理地参数化控制初始冰场中碎冰块的几何特性。在此基础上，本文基于粘接-破碎的球体离散元方法对不同冰况下锥体结构的冰荷载进行了数值计算，讨论分析了碎冰区的海冰密集度、冰块面积和几何规则度对冰载荷的影响。     

基于超二次曲面的颗粒材料缓冲性能离散元分析

自然界或工业中普遍是由非球形颗粒组成的复杂体系,与球形颗粒相比,非球形颗粒间的高离散和咬合互锁可使冲击载荷引起的能量有效衰减实现缓冲作用.基于连续函数包络的超二次曲面单元能准确地描述非球形颗粒的几何形态,并可精确地计算单元间的接触碰撞作用.本文采用离散元方法对冲击载荷作用下非球形颗粒物质的缓冲性能进行数值分析,并与圆柱体冲击的理论结果和球体冲击的实验结果进行对比验证.在此基础之上,进一步研究了筒底作用力在不同颗粒层厚度和形状等因素影响下的变化规律.计算结果表明:不同颗粒形状都存在一个临界厚度H_c.当HH_c时,缓冲率随H的增加而增加;当HH_c时,缓冲率的变化不再显著并趋于稳定值.此外,减小颗粒表面尖锐度和增加或减小圆柱形和长方形颗粒的长宽比都会提高颗粒材料的缓冲效果.     

基于离散元模型的土石混合体直剪试验分析

土石混合体是由高强度块石和低强度土体组成的一类特殊工程地质材料,其力学性质可通过直剪试验进行确定。本文针对土石混合体的细观材料特性,分别采用球形颗粒单元和非规则组合颗粒单元模拟土体和块石材料,对其在不同含石量和颗粒粘结强度下的直剪试验过程进行离散元分析。计算结果表明,土石混合体的抗剪强度随着含石量和粘结强度的增加而增加;通过不同法向应力下直剪试验的离散元分析,确定了不同含石量下土石混合体材料的内摩擦角和粘聚力。本文研究结果有助于进一步揭示土石混合体的抗剪强度特性。     

冰工程中的关键力学问题专题序

正我国大部分地区属于亚极区,北方的大部分河流、水库及海湾均存在冬季结冰现象.历史上,我国已发生多次比较严重的冰害,使人民生命和财产遭受巨大损失.如渤海海冰对近海结构作用及对航运的影响,河冰的凌汛、对桥墩的作用,水库冰对闸门、护坡及电站冬季运行的影响等,都是我国在寒区建设中不可回避的工程问题.近年来,由于我国在寒区的开发与建设速度加快,冰区海洋工程建设由渤海不断向北极拓展,北极航道趋于常态化通航,冰区核电和风能等新能源的开发,南水北调工程投入使用,这些均使冰工程问题变得更加突出,并对相关的科学研究和技术发展提出了更大的挑战.     

冲击荷载下颗粒物质缓冲性能的试验研究

颗粒物质是一种复杂的能量耗散体系. 颗粒间的摩擦和黏滞作用可使冲击荷载引起的能量有效衰减, 颗粒间的力链结构又可将瞬时局部冲击荷载进行空间扩展和时间延长, 达到良好的缓冲效果. 为研究颗粒物质对冲击荷载的缓冲性能, 本文采用重力作用下球体冲击筒内颗粒物质的试验系统, 研究了筒体底部作用力在颗粒材料、颗粒厚度等因素影响下的变化规律. 试验结果表明: 非规则颗粒具有更加良好的缓冲性能, 粗颗粒的缓冲性能略高于细颗粒. 颗粒厚度H是影响缓冲性能的重要因素, 并存在一个临界厚度H_c. 当H<H_c时, 缓冲性能随H的增加而增强; 当H>H_c时, H对缓冲效果的影响不再显著. 以上研究是在同一冲击能量下进行的, 而对于不同冲击能量下的H_c还需要深入开展. 通过颗粒物质对冲击荷载缓冲性能的试验研究, 可揭示颗粒材料的基本物理力学行为, 为其在缓冲减振领域中的应用提供依据.     

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.