基于XFEM-MBEM的嵌入式离散裂缝模型流固耦合数值模拟方法

离散缝网的表征与模拟是目前国内外研究的热点. 在非常规油气开发过程中, 由于地应力场的存在会对裂缝的流动属性产生显著影响, 若将裂缝视为静态对象, 与矿场数据会出现极大偏差, 因此要基于动态裂缝做更深入的研究. 本文针对致密油藏应力场?渗流场耦合力学问题, 提出了一种高效的混合数值离散化方法, 其中采用扩展有限元法 (XFEM) 求解岩石的弹性形变, 采用了混合边界元法 (MBEM) 精确计算基岩与裂缝间的非稳态窜流, 这两种数值格式是完全耦合的, 并对整体计算格式的时间项进行了全隐式求解, 可准确表征致密油藏开采过程中的裂缝变形及流体流动机理. 此外, 本文采用了嵌入式离散裂缝前处理算法显式表征大尺度水力压裂缝, 并考虑了支撑剂的作用; 采用了双孔有效应力原理和双重介质隐式裂缝表征方法, 可捕捉基质与小尺度天然裂缝的动态信息; 由此, 本文所提出的混合模型综合表征了基质?天然裂缝?水力压裂缝共同组成的致密油藏复杂渗流环境, 并通过几个实例论证了模型的准确性, 研究表明: 对致密油藏压裂水平井进行产能评价时, 应力场所引起渗流参数的改变及裂缝开度降低的影响不可忽略. 本文研究可为非常规油气资源的开发提供理论指导.      

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。     

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。     

针对有砟道床动力特性分析的嵌入式离散元-有限元耦合方法

在离散元-有限元耦合方法中,离散元和有限元交界面处的耦合方式对整体有砟道床的力学行为影响显著.采用基于球形单元的镶嵌单元或粘结单元模拟有砟道床时,由于球形单元和有限单元表面的自锁能力较差,使道砟层在列车载荷作用下容易产生侧向滑移,导致数值模型不稳定.此外,在实际铁路道床中,底部道砟均不同程度地嵌入路堤.为此,发展了一种...     

砌体结构破坏倒塌过程的离散单元模拟

基于传统颗粒离散单元模型（DEM）,开发了一种绑定式离散单元模型（BTDEM）用于砌体结构崩塌机制的研究,并对一个典型砌体结构的破坏倒塌过程进行数值模拟。结果证实BTDEM方法能够详细地模拟出砌体建筑结构的崩塌过程,同时还可以模拟出砌块的破碎,是一种普适性较强的模拟砌体结构建筑的高效数值方法。BTDEM方法具有计算速度...     

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。     

钢筋混凝土梁受弯破坏过程的细观数值模拟研究

在细观层次上将混凝土视为由粗骨料、硬化水泥砂浆及界面粘结带组成的三相非均质复合材料,能够较好地模拟混凝土加载时的裂缝扩展过程和分布规律。本文采用细观刚体弹簧元法模拟了钢筋混凝土梁的弯曲受力性能和破坏过程,加载方式采用两点对称加载。数值计算得到了钢筋混凝土梁的破坏形态和荷载一变形曲线,并分析了受力过程中纵向钢筋的应力变化。与试验结果对比表明,细观刚体弹簧元法可以有效模拟钢筋混凝土梁的裂缝开展过程、破坏形态和荷载一变形响应。     

考虑道砟侵切土质路基的有砟轨道离散元-有限元耦合方法

论文考虑有砟轨道道床结构中底层道砟颗粒会逐渐侵切土质路基上表层的实际情况,引入基于双曲线函数的土阻力公式,发展了离散元颗粒与有限元网格体内耦合的接触力算法,建立了考虑道砟颗粒侵切路基表层的有砟轨道离散元-有限元耦合模型.其中道床中的非规则形状道砟采用离散元镶嵌单元构造,路基采用有限元20节点六面体实体单元构造.分析了道砟侵切路基下列车荷载及路基软硬程度对道床整体沉降的影响,绘制了有砟道床-路基的横截面应力及位移云图.研究表明提出的耦合模型不仅能反映道床自身的弹性变形和累积塑性变形,还能真实反映底层道砟侵切软土路基表层所导致的侵切沉降,为深入了解有砟道床的沉降劣化机理提供重要借鉴作用.     

随机复合材料结构非线性热-力耦合模拟的统计高阶多尺度方法

对于具有复杂随机细观构造的复合材料结构的非线性热-力耦合问题的随机多尺度建模和计算仍是一个具有挑战性的问题。本文发展了一个新的统计高阶多尺度方法,克服了随机多尺度问题直接模拟时巨大的计算量,实现了具有随机复合材料结构非线性热-力耦合问题的数值模拟。借助统计多尺度渐近分析和泰勒级数方法,本文严格推导了可以精确分析随机复合材料结构宏-细观尺度非线性热-力耦合响应的统计高阶多尺度计算模型。然后,通过局部误差分析证明了统计高阶多尺度计算模型中高阶校正项在保持计算模型局部能量和动量守恒的重要意义。进一步,建立了可以高效模拟随机复合材料结构非线性热-力耦合行为的具有离线和在线两阶段的时空多尺度算法。最后,通过数值实验验证了统计高阶多尺度方法的计算高效率和高精度。     

基于DEM-FEM耦合方法的海上风机结构冰激振动分析

冰载荷是海上风机在寒区安全运行的重要影响因素之一,由其引发的冰激振动给风机结构带来了严重的危害.本文通过离散元(discrete element method,DEM)--有限元(finite element method,FEM)耦合方法建立了寒区单桩式风机结构的冰激振动模型.采用具有粘结--破碎性能的球体离散单元描...     

含裂纹结构可靠度的多尺度求解

针对环境作用下金属结构从微观损伤到宏观失效的复杂过程,选用具有局部细化特征的CAS小波,先对疲劳裂纹扩展方程进行离散处理,将微分方程转化为代数方程组,然后用完全积分可靠性分析模型,对一般环境中和引入环境系数的含裂纹结构的可靠度进行求解.最后,验证了利用CAS小波多尺度方法求解复杂环境中结构疲劳破坏过程是可行的,并能很好地解决短裂纹与长裂纹扩展的光滑过渡.     

基于力学思想的字体结构评价方法

汉字,是中华民族的伟大创造,是由笔画组成的结构体,所以科学合理的笔画结构,决定了字体的美观与否。本文引入力学领域中形心和惯性矩的概念,通过图像处理分析得到归一化后的字体图像形心和字体结构惯性矩,用这两个参数定量描述字体结构中重心和中宫的概念,为汉字字体结构提供评价方法和为汉字字体设计提供参考。     

AN EVALUATION METHOD OF THE STRUCTURE OF CHINESE CHARACTERS BASED ON MECHANICAL ANALYSIS

汉字,是中华民族的伟大创造,是由笔画组成的结构体,所以科学合理的笔画结构,决定了字体的美观与否。本文引入力学领域中形心和惯性矩的概念,通过图像处理分析得到归一化后的字体图像形心和字体结构惯性矩,用这两个参数定量描述字体结构中重心和中宫的概念,为汉字字体结构提供评价方法和为汉字字体设计提供参考。     

THE NUMERICAL STUDY OF LATTICE BOLTZMANN METHOD BASED ON DIFFERENT GRID STRUCTURE

传统的格子波尔兹曼方法(lattice-Boltzmann method, LBM)通常基于标准均匀网格, 这主要取决于速度的空 间离散格式.均匀网格结构的特点, 使LBM在处理具有复杂边界的问题时遇到较大的困难, 从而限制了它的应用.另外, 对于较为复杂的流动, 其流场存在流动变化剧烈和平缓的区域, 在流动变化剧烈的区域, 往往需要足够的网格点才能更好地捕捉到流场信息, 而均匀网格会使得网格数量过多, 这会增加计算量, 但网格数量过少又无法获得必要的流场信息, 使LBM的计算效率降低.为了解决上述问题, 用不同的网格结构, 以顶盖驱动的腔体内流、柱体绕流和翼型绕流为例, 探讨了提高LBM算法的计算效率和适用性问题.     

基于整体位移模式的平面孔洞结构数值模拟方法

针对平面孔洞问题提出了一种新的数值模拟方法.论文通过水平集方法引入孔洞边界、力边界和位移边界水平集函数,利用边界水平集函数来构造边界试探项,将试探空间表示为二元幂级数与边界试探项的线性组合;同时提出一种基于水平集方法的位移边界条件施加方法,利用位移边界水平集函数来构造满足位移边界条件的近似位移场,并给出了相应的刚度矩阵和载荷矩阵表达式.与FEM、XFEM、无网格法等方法相比,该方法无需将求解域离散,具有较低的计算成本、特性良好的刚度矩阵和较为广泛的适用性.数值算例验证了该方法的有效性.     

MPS-FEM方法模拟弹性船体在规则波中的运动

船舶在海洋中航行时经常会受波浪的作用,在波浪的作用下,船体可能会发生六自由度的运动.在船体运动幅度较小时,可以简单地将船体运动视为刚体运动.但当波浪环境较为剧烈、船体运动幅度较大时,船体可能会发生变形,此时船舶弹性的影响无法忽略.因此,研究弹性船体在波浪中的运动对船舶运动性能和航行安全具有重要的意义.移动粒子半隐式方法 MPS方法是一种基于拉格朗日方法表示的无网格粒子类方法,该方法在模拟具有自由面大变形特征的问题时具有其独特的优势.有限元方法 FEM作为一种传统的并且已被广泛应用的结构求解方法,具有很好的稳定性、准确性和鲁棒性.本文将MPS方法与FEM方法二者的优势结合,基于MPS-FEM耦合方法,使用自主开发的MPSFEM-SJTU流固耦合求解器,模拟刚性船体和弹性船体在规则波中的运动,并分析船体的弹性对船体运动响应的影响.首先模拟刚性船体在不同波长的规则波中的运动,研究规则波波长对船体运动响应的影响.接着分别模拟了刚性和弹性船体在规则波中的运动,结果表明,刚性船体的运动幅值大于弹性船体的运动幅值,而弹性船体船舯附近的压力大于刚性船体.     

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.     

基于虚拟变形法的车-桥耦合系统移动质量识别

利用双自由度质量-弹簧阻尼模型模拟移动车辆, 并基于虚拟变形(VDM)方法的结构快速重分 析思想, 提出一种车-桥耦合系统的移动质量快速识别的有效方法. 该方法以双自由度车体模 型的质量为变量, 通过最小化桥体结构实测响应和计算响应的平方距离来识别移动质量 (载荷), 避免了识别载荷时常遇到的病态问题, 对噪声鲁棒性强, 且需要传感器信息少. 每步优化 中, 利用在VDM方法基础上提出的移动动态影响矩阵概念, 无需时时重构车-桥耦合系统的时 变系统参数矩阵, 显著提高了计算效率. 利用数值框架梁模型, 通过比较不同车辆简化模型 对移动体质量及等效移动载荷的识别效果, 验证了该方法的可行性和有效性, 即使在5% 的噪声影响下, 利用一个传感器可以准确地识别多个移动体的质量.     

基于CFD的民用飞机水上迫降动力学仿真研究

针对民用飞机水上迫降动态冲击问题,采用数值仿真方法进行了研究。基于计算流体力学采用雷诺平均N-S方程求解,结合流体体积模型和全流场运动网格捕捉水-气交界面,求解六自由度方程获得飞机的位置和姿态。采用该方法研究了尾吊-高平尾布局飞机的水上迫降过程。结果表明,该方法可以较好地模拟水上迫降的运动和受力,入水早期飞机受到较大水冲击载荷,后体吸力使得飞机抬头,之后随着速度降低吸力减小,飞机逐渐低头并趋于稳定。