离散元数值模拟中查找邻居元关系的改进算法

离散元方法是近年发展起来的有前途的新概念数值模拟方法,然而查找邻居元关系耗费大量机时和内存。本文引入一种改进算法-“区域法”,并对其原理、算法、运行时间和空间进行了分析。和原算法中的“窗口法”的比较结果表明,新算法在运行时间和空间方面均明显优于原算法。     

粗糙颗粒的随机离散元模拟——随机法向接触定律

真实颗粒的力学性质会受到其随机粗糙表面的影响,然而在传统离散元模拟中通常假设颗粒具有光滑表面,因此有必要在定量考虑颗粒表面粗糙度的基础上改进离散元的接触模型。本文基于经典 Greenwood-Williamson(GW)模型通过理论分析和数值模拟提出了一种可以考虑颗粒表面粗糙度的法向接触定律;开发了基于 Newton-Raphson迭代的数值计算方法,通过输入颗粒重叠量和一系列表面粗糙系数计算总接触力;讨论了改进计算方法效率和准确性的相关问题。相对于 GW模型中接触关系的复杂积分表示,拟合得到新随机接触定律的表达式具有类似 Hertz定律的简单结构,只包含一个表征颗粒表面粗糙度标准偏差的新增参数,σ,可以方便的引入当前离散元模拟程序中进行计算。     

基于数值模拟的混凝土系列有效断裂判据

基于ANSYS平台,对某系列混凝土断裂破坏试验的加载过程进行有限元数值模拟,获得了荷载-加力 点位移曲线.利用获得的曲线,在线性渐进叠加假定的基础上,确定了试件在失稳断裂时的临界有效裂缝长度.将模拟峰值荷载和临界有效裂缝长度代入由LEFM推导出的公式计算了考虑断裂过程区影响的有效断裂韧度.最后,通过对系列试验有效断裂韧...     

脆性材料动态断裂数值模拟

本文借鉴于Perzyna 的基本思想及Seaman 等人的实验结果,提出了一个脆性材料动态断裂模型.利用本文的模型对Cochran 的实验结果进行了数值模拟,其计算结果比Cochran 的计算结果与实验吻合得更好.     

沥青混合料车辙变形的离散元数值模拟

采用Burgers模型描述沥青基质的粘弹性,根据实验数据确定Burgers模型参数.借助数字图像处理方法建立试件几何模型,利用离散元法开展了车辙变形的离散元数值模拟,研究了沥青混合料在不同骨料分布、不同载荷和不同温度条件下的车辙深度变化情况.结果表明:温度对车辙变形的影响在沥青软化点附近较大,在离开软化点的范围较小;当温度较低时,混合料的整体性比较好,骨料分布对局部车辙变形的影响比较小,超载引起的车辙增量不太明显,而当温度达到或超过沥青软化点时,混合料的整体性明显下降,骨料分布对局部车辙变形的影响非常突出,超载引起的车辙增量也非常显著.因此,当超载和高温组合到一起时,车辙变形会大幅度增加,将给路面安全带来严重隐患.     

基于联合有限元-离散元的混凝土重力坝破坏三维仿真模拟

水利工程中混凝土重力坝在地震等作用下的三维破坏形式以及破坏过程对大坝安全影响重大。本文建立了固体材料的联合有限元-离散元(Combined Finite-Discrete Element)三维数学模型,并引入Single/Smeared断裂损伤模型,模拟混凝土材料的破坏。数学模型经验证后,用于地震作用下混凝土重力坝破坏的三维数值模拟,结果表明,联合有限元-离散元方法能够有效模拟坝体的破坏模式和破坏阈值条件,且具有将坝体连续变形与不连续断裂有机结合的优点。通过一系列数值模拟工况的对比,分析了模型网格分辨率对破坏条件、破坏模式以及程序计算效率的影响,研究结果能够为大坝的抗震设计提供有价值的参考。     

聚丙烯纤维加固土融沉特性的离散元数值模拟研究

针对掺入纤维对土体冻融特性的影响进行离散元数值模拟,首先自研了过程感知融化固结系统,基于融沉试验,提出了微观参数折减法模拟融化过程,分析了纤维掺量、纤维长度、土样高度的影响规律。结果表明：离散元方法可对融沉过程进行较为有效的模拟,并可得到最优纤维掺量,对于模拟工况,最优纤维掺量为0.1%;从融化压缩模量看,纤维长度与掺量为敏感影响因素,土样高度为次要因素;掺入纤维对土体强度与融沉特性的提升效果具有一致性。     

混凝土断裂过程的力学模型与数值模拟

混凝土是一种典型的非均匀准脆性材料,其断裂过程是非常复杂的.评述了混凝土断裂以及断裂过程研究的进展状况,主要总结了一些研究混凝土断裂的宏观力学方法和模型,介绍了从混凝土的细观层次出发模拟其断裂过程的数值模型.最后,简单介绍了作者用细观数值方法模拟混凝土宏观断裂过程的研究成果.      

基于颗粒离散元的沙纹演变大涡模拟研究

应用大涡模拟、"点球" 浸入边界法和基于"事件驱动" 模型和"弹簧-阻尼" 模型的颗粒离散元法, 数值模拟了明渠湍流中沙纹的演变. 通过对不同谢尔兹数下无沙纹床面的推移质输沙率进行计算, 并与经典输沙率公式进行对比, 验证了模型的精度和可靠性. 随后, 对明渠湍流中沙纹床面的演变过程进行了数值模拟, 计算了有沙纹床面的推移质输沙率、沙纹长度和高度、等效床面高度的最大值、最小值和平均值、沙纹形状阻力、体积流速随时间的变化曲线. 研究发现:初始平整的床面在较短的时间内(tU_b=h≈100) 发展出数条沙纹, 随后沙纹逐渐发展, 在tU_b=h为1 600~2 000 时, 沙纹发生合并. 在沙纹数量不变的条件下, 沙纹高度随时间近似呈线性增长, 而沙纹的长度的平均值却保持恒定. 随着沙纹高度的增大, 输沙率和体积流速逐渐降低, 沙纹形状阻力则逐渐增大;当沙纹发生合并时, 沙纹高度快速增加, 输沙率、体积流速和沙纹形状阻力也出现了大幅跳跃. 在同等的水流强度条件下, 有沙纹床面的输沙率小于平整床面的输沙率.      

两套节点格林元嵌入式离散裂缝模型数值模拟方法

对于原始嵌入式离散裂缝模型(EDFM),在计算包含裂缝单元的基质网格内的压力分布时采用了线性分布假设,这导致了油藏开发早期对非稳态窜流量的计算精度不足.因此,本文提出了一种两套节点格林元法的EDFM数值模拟方法.两套节点格林元法的核心思想是将压力节点与流量节点区分开,一套压力节点设置在单元顶点,另一套流量节点设置在网格边的中点,满足局部物质守恒、具有二阶精度的同时,可适用于任意网格类型.本文将两套节点格林元法与EDFM耦合,采用了非稳态渗流控制方程的边界积分形式推导了基质网格与裂缝网格之间传质量的新格式,代替了线性分布假设以提高模拟精度;此外,修正后的EDFM能适应任意形态的基质网格剖分,拓展了原始EDFM仅适用于矩形基质网格、难以考虑复杂油藏边界的局限性.研究表明:通过对比商业模拟软件tNavigator?LGR模块与原始EDFM,验证了本文模型具有较高的早期计算精度;以复杂油藏边界-缝网-SRV分区模型为例,通过对比SFEM-COMSOL商业模拟软件,验证了本文模型处理复杂问题的适应性.本文研究可用于裂缝性油藏开发动态的精确模拟.     

多尺度嵌入式离散裂缝模型模拟方法

天然裂缝性油藏和人工压裂油藏内裂缝形态多样,分布复杂,传统的离散裂缝模型将裂缝作为基岩网格的边界,采用非结构化网格进行网格划分,其划分过程复杂,计算量大。嵌入式离散裂缝模型划分网格时不需要考虑油藏内的裂缝形态,只需对基岩系统进行简单的网格剖分,可以大大降低网格划分的复杂度,从而提高计算效率。然而,在油藏级别的数值模拟和人工压裂裂缝下的产能分析中,仍然存在计算量巨大、模拟时间过长的问题。本文提出嵌入式离散裂缝模型的多尺度数值计算格式,使用多尺度模拟有限差分法研究嵌入式离散裂缝模型渗流问题。通过在粗网格上求解局部流动问题计算多尺度基函数,多尺度基函数可以捕捉裂缝与基岩间的相互关系,反映单元内的非均质性,因此该方法既有传统尺度升级法的计算效率,又可以保证计算精度,数值结果表明这是一种有效的裂缝性油藏数值模拟方法。     

基于超二次曲面的非球形离散单元模型研究

通过对颗粒体系接触过程的运动学和动力学分析,建立了一种基于超二次曲面的非球形离散单元模型,该模型避免了球形接触模型描述颗粒形状的局限性,使离散单元法更接近物理事实,并在此基础上提出了计算求解模型的数值方法,实现了对复杂形状的颗粒体系的模拟计算。将所建立的数值计算方法进行了编程实现,并对模型和算法进行了算例测试,证实了本文所建立的非球形离散单元模型的可行性和正确性。测试结果表明,本文的模型能够比较准确地模拟复杂颗粒体系的真实运动,可为复杂颗粒体系的模拟研究提供一种新的数值计算方法。     

断裂过程的有限元模拟

讨论了材料断裂过程的有限元模拟技术。基于自适应有限元的一般原理，并针对多相材料的裂纹扩展的特点，提出了一种简化的高精度和高效率有限元网格的动态重新划分策略。裂纹被假设沿着单元之间的路径连续扩展，利用节点力释放技术生成新的裂纹自由表面，发展了一种可随裂尖连续移动的网格动态加密和释放方法。这种方法已在各种裂纹问题中得以实现与应用。     

不同重力场下颗粒冲击过程的离散元分析

开展不同重力场下颗粒材料冲击动力学研究有助于加深对颗粒运动机制的理解和深空探测任务的实施。本文采用离散元模拟对颗粒介质受球形冲击物的冲击过程进行了数值模拟,并与地球重力下冲击的试验结果进行对比验证。在此基础上,进一步研究了重力加速度对冲击物动力学的影响规律。计算结果表明,在所有重力加速度下,冲击物的穿透深度d与冲击速度v₀的关系可以用Poncelet模型表达;d与冲击物下落的总高度H表现为d～Hⁿ的幂律关系,当H<10 m时,d与H的幂率标度为0.322,而H>10 m时,d与H的幂率标度下降到0.211。此外,穿透深度小于冲击物半径时,重力加速度对冲击物减速过程无影响。在所有的重力加速度下,当冲击速度大于5 m/s时,冲击物的持续碰撞时间t_c是恒定的,且与重力的-1/2次方呈正比。     

离散元与壳体有限元结合的多尺度方法及其应用

在深入研究复杂结构和非均质材料冲击响应和破坏机理的过程中,往往遇到多尺度计算问题。本文尝试建立三维离散元与壳体有限元结合的多尺度方法用于处理圆柱壳问题,该方法采用三维离散元对感兴趣的局域进行局部模拟,利用平板壳体有限元进行整体模拟,采用一种特殊的过渡层使离散元区和有限元区能很好的衔接。我们将这一方法应用于激光辐照下充压柱壳的热/力耦合冲击破坏响应,得到的模拟结果与文献报道有较好的吻合。     

岩石、混凝土类材料断裂破坏有限元数值模拟中的有效方法

岩石、混凝土类材料断裂破坏有限元数值模拟中的网格重划,依据单元畸变和裂缝介质间的单元干涉作为网格重划判据,采用几何体重构技术把几何实体分解成能在ANSYS上实现六面体网格划分的几个部分,利用体积判断法确定新结点在旧单元的单元编号,在场量传递上采用基于解析性质的等参有限元逆变换,把旧网格场量信息传递到新网格中。本文对ANSYS进行二次开发,实现了三维网格重划,网格重划采用单元畸变和界面干涉两个判据,在网格再划分前进行几何体重构,提取变形后的点线面信息重新生成实体,充分利用AN-SYS的函数和体积判断法找到新结点在旧网格中的位置,在新旧网格间的场量传递中采用基于解析逆等参单元法。在平台上实现了三维有限元网格重划技术,最后利用方料的单轴压缩断裂模拟计算检验了传递前后等效塑性应变分布用载荷信息的变化,证明了所开发系统的正确性。     

Numerical simulation and testing verification of the interaction between track and sandy ground based on discrete element method

Tractive effort of tracked vehicles plays an important role in military and agricultural fields. In order to solve the problem of low precision in numerical simulation of the interaction between track and sandy ground, a systematic and accurate discrete element modeling method for sandy road was proposed. The sandy ground was modeled according to the mechanical parameters measured by soil mechanics tests. The interaction coefficients of sandy soil were measured by the repose angle test and triaxial compression test combined with the corresponding simulation. On this basis, a discrete element interaction model of track-sandy ground was established, which can be used to test the tractive effort of track. Numerical simulation calculation of track model at different speeds was carried out, and the simulation results were compared with the results of indoor soil bin test for verification. The verification results show that the interaction between track and sandy ground based on DEM simulation is consistent with the actual soil bin test. The discrete element modeling method in this paper can be used to model the track and sandy ground accurately, and the simulation model can be used to test the tractive effort of tracked vehicle.     

基于离散元法的刚性履带低含水软地面附着特性数值分析

针对低含水软地面低黏性、高摩擦的力学特性,以刚性履带在干燥壤土行驶这一典型工况为试验条件,基于离散单元法选取合理的颗粒细观参数,在三轴剪切试验的基础上建立并验证了土壤数值仿真模型。通过数值牵引试验,对刚性履带低含水软地面的附着特性进行了离散元细观分析。分析表明,土壤附着力随履刺的向后排列而递减;垂直于履带行驶方向的附着作用不可忽略;离散元法能更好地还原低含水软地面的力学特性,揭示了土壤颗粒在动态荷载下非连续的本质,适合于干燥、松散的低含水软地面数值研究。     

基于离散元-有限元模型的冰激锥体海洋平台结构振动分析

冰荷载是影响海洋平台结构及其上部设备作业安全的重要因素。针对海洋平台与海冰相互作用的动力过程,采用具有粘接-破碎性能的离散元方法(DEM)对海冰的破碎特性进行分析,采用有限元方法(FEM)对海洋平台结构的动力响应进行计算;同时考虑海冰与海洋平台结构的耦合作用,将海冰的离散元方法与海洋平台结构的有限元方法相结合,建立了冰激海洋平台结构振动的DEM-FEM模型,并由此计算海冰作用下海洋平台结构的振动响应以及冰荷载特性。