基于任意拉格朗日-欧拉法的盾构刀盘土体切削仿真

针对盾构刀盘切削土体的问题,提出了基于有限元和高性能计算方法的大规模数值模拟方法.建立了盾构和土体的三维分析模型,并且充分考虑到土体的材料非线性,利用动态显示算法进行了基于国产“曙光4000A”高性能计算机的大规模流固耦合分析.仿真采用任意拉格朗日-欧拉法(ALE),解决了土体大变形造成的有限元单元畸变问题,预测土体-刀具相互作用的过程;将修正的Drucker-Prager塑性土体模型作为土体的非线性有限元模型,其仿真方法和结果可以为未来盾构机的刀盘设计提供参考.     

泥水平衡盾构机掘进并行数值模拟方法研究

以某大型越江隧道工程为背景,建立该工程场地土层的大规模三维非线性数值模型。同时基于共享内存式并行计算平台(SMP),利用刚度迁移法,完成了泥水平衡盾构机逐步掘进百米长距离,并穿越大堤这一复杂力学过程的大规模数值模拟。为模拟泥水平衡盾构机掘进各施工阶段,不同施工因素之间的复杂力学作用关系,提出了对各施工因素模拟的简化方法。具体包括:开挖面泥水压力对前方土体的作用、盾构机机头的超挖、盾构机机身对土体的作用、盾尾注浆材料的时空变化特性、盾构机后方百米长拖车对已铺成隧道的作用等施工因素。通过对计算结果与工程试验段实测数据对比验证的基础上,预测了地表沉降在盾构机掘进过程中的变化规律。通过对SMP并行计算平台下盾构法施工数值模型之并行计算效率的对比研究,给出了各并行算法的加速比、计算效率以及接触模型对并行计算效率的影响关系。     

数量工程技术在南京长江隧道工程中风险 辨别及事故防范的应用研究

以南京长江隧道工程为背景,提出了基于数量工程技术的风险提示及事故防范方法,即运用数值仿真方法,借助超级计算机的并行计算能力,建立盾构机进出洞,盾构机穿越长江大堤及穿越江中最浅覆土层,两台盾构机同时施工影响,盾构机穿越复合土层等工程关键问题的数量分析模型。基于该模型,对地表沉降过大、盾构机姿态偏移、开挖面失稳等工程风险进行了提示;分析了风险产生的机理、后果;提出了事故防范的措施,评价和验证了防范措施的有效性和合理性。     

盾构机刀盘掘削动态数值模拟

基于子模型方法与任意拉格朗日～欧拉有限元方法(ALE),建立了盾构机刀盘掘削过程的三维数值模型.在保证计算精度的前提下,实现了模型缩减、ALE网格精细化、地应力场初始化.通过将计算结果与某模型盾构机掘进试验的实测数据对比,验证了该方法的正确性与准确性.研究结果表明:基于ALE方法的盾构机刀盘掘削数值模型可以准确模拟土体破坏、脱离过程;基于子模型方法得到的初始应力场准确反映了原土层的地应力场,得到了地应力场对刀盘受力的影响关系.     

爆炸冲击波作用下桥梁损伤效应的数值仿真

应用非线性动力有限元方法对爆炸冲击波作用下桥梁的损伤效应进行了三维数值模拟,得到了空中爆炸冲击波的传播规律曲线和峰值压力曲线,通过与实验公式对比,验证了爆炸荷载计算模型的有效性和计算结果的可靠性,并在此基础上研究了桥梁在爆炸载荷作用下的非线性动态响应.计算结果表明：爆炸冲击波对桥梁的损伤效应呈现局部破坏特征,桥梁迎爆面局部结构损伤较大且以破口形式存在.数值仿真结果为桥梁的抗爆承载计算和安全性评估提供了重要的参考依据.     

基于并行计算的盾构隧道施工三维动态仿真

以上海地区某双孔盾构隧道中试验段的施工为仿真对象,在现有多种计算方法的基础上,进一步突出盾构机施工工序和细节模拟,建立了大规模的全三维动态仿真模型,最后在高性能计算平台上结合并行求解算法完成了一系列计算.仿真结果显示了施工引起的具体地表三维隆沉情况,通过实测数据验证计算模型的合理性;同时也研究了不同并行求解方案对大规模盾构隧道开挖模拟的影响.     

基于并行计算的盾构机过大堤三维数值模拟

针对某越江隧道工程,基于刚度迁移法及自适应接触算法,建立了盾构机-土体-大堤三者相互作用的三维非线性有限元模型.通过对盾构机穿越大堤这一连续的复杂物理力学过程作等效力学离散,提出了盾构机机身坡度、盾构机超挖、注浆时空效应、拖车作用等施工因素的数值模拟方法.通过将计算结果与试验段实测数据对比验证,预测了盾构机过大堤时对大堤的影响关系.同时,对该盾构法施工有限元模型在SMP与DMP并行计算平台下的并行计算效率、加速比进行对比分析,结果表明,迭代法并行计算效率远大于直接解法,DMP并行平台计算效率大于SMP并行平台.     

爆炸冲击波对玻璃幕墙破坏作用的多物质ALE有限元模拟

应用LS-DYNA显式程序,基于多物质的ALE有限元法,利用罚函数实现了爆炸冲击波与玻璃幕墙结构间的耦合作用,重现了玻璃幕墙防爆炸实验中爆炸荷载的产生及其与玻璃幕墙相互作用的三维动态过程。研究了爆炸冲击波作用下幕墙结构的动态响应行为,分析了幕墙内外层玻璃的破坏情况。研究表明,数值模拟结果与实验结果一致,这为玻璃幕墙的抗爆设计及改进提供了重要的参考依据。