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。     

铁路道砟破碎特性的离散元分析

为降低有砟铁路轨道维护成本并提高乘客舒适度,对铁路道砟材料破碎机理深入研究具有重要作用。本文设计并开展了测量铁路道砟材料特征强度的试验,对道砟受压破碎过程的力和位移等数据加以分析;同时,通过三维激光扫描系统获取道砟三角网格多面体边界,依此采用颗粒平行粘结方式构造具有不规则真实外观的铁路道砟,并采用离散单元方法(DEM)数值模拟道砟径向加载破碎过程,分析应力应变曲线和粘结断裂数等数据以分析颗粒破碎机制。通过对多个道砟颗粒加载试验及数值模拟计算发现,随着道砟尺寸的增加,其有效压缩强度逐渐减小。道砟颗粒的有效压缩强度符合威布尔概率分布函数,并确定了其残存概率的平均强度和威布尔参量,试验和数值模拟结果相吻合。     

不同载荷频率下有砟铁路道床累积沉降特性的离散元分析

为研究有砟道床在高频载荷作用下的累积沉降规律,建立工程尺度下枕木-有砟道床的离散元计算模型。考虑道砟的非规则真实几何形态,利用不可破碎的簇颗粒模型近似构造。在10 Hz～100 Hz载荷频率区间内,对比分析枕木位移以及道砟颗粒在垂向和横向上的运动分布规律,研究分析道床在循环正弦载荷作用下的动力特性。数值结果表明,在载荷频率不超过60 Hz时,道床累积沉降随着载荷频率的提高而逐渐增大;当载荷频率超过60 Hz时,道床累积沉降随着载荷频率的提高而急剧增大,并在载荷频率为80 Hz时达到最大值,而后道床累积沉降量随着频率的提高反而逐渐减小。此外,分析对比不同载荷频率下道床速度场分布及典型位置道砟的加速度等物理量,发现80 Hz的载荷频率下道床离散元模型的振动最强烈。     

利用平面声场对非均匀大气介质光波传输相位的调控

本文基于声光效应和Gladstone–Dale关系,推导了在平面声场扰动下,各向同性均匀大气介质和非均匀大气介质的折射率随声压变化关系式,建立了平面光波和拉盖尔-高斯(Laguerre-Gaussian, LG)光束通过经平面声波扰动的均匀大气和非均匀大气介质的传输模型.结果表明,经平面声场扰动后,均匀大气介质折射率分布呈层均匀的周期性分布.对于大气压强纵向变化的大尺度角度,平面声场对非均匀大气折射率的分布情况影响不明显;而对于小尺度角度,非均匀大气折射率会随高度的增加逐渐减小,并且随声压的影响而产生波动.平面声波扰动均匀大气介质时,会使平面光波的等相位面因声波的影响产生明显波动; LG光束相位会发生旋转,且总会回到初始相位.平面声波扰动非均匀大气介质时,会使平面光波的相位变化会随着声波的变化规律产生周期性的变化,光程整体为倾斜的平面,但由于声波的扰动,光程会产生波动; LG光束的相位仍会发生旋转,但与均匀介质不同的是,由于其折射率随高度的变化,其相位不会回到初始相位.     

声波扰动对大气湍流内外尺度与折射率功率谱函数的影响分析

声波是一种机械波,作为能量的载体,在大气湍流环境下传输会“扰动”湍流耗散率的变化,从而会影响湍流物理结构演化.本文基于声波能量和湍流能量平衡方程,结合湍流内外尺度和大气折射率功率谱函数,研究了在不同声波扰动下大气湍流的内外尺度和折射率功率谱函数的变化特征.结果表明:不同声波的传播会使得湍流的内外尺度发生变化,声源功率越大,对湍流尺度的影响越大,然而声源频率越大,对湍流尺度的影响并不是特别明显;不同声波的传播会使大气折射率功率谱函数发生改变,在惯性区内,考虑到声波对湍流内外尺度的影响,不同声源对大气折射率功率谱的影响程度不同,在耗散区内,大气折射率功率谱都出现随声波传输距离波动的情况.本文探索声波扰动对大气湍流折射率功率谱函数特征参数的变化规律,为激光在声波扰动大气湍流中传输特性以及声光耦合研究提供理论依据.