触地爆炸土体弹坑的多物质ALE法分析

为了研究触地爆炸下土体产生的弹坑,在LS-DYNA软件框架内,提出了基于多物质ALE法的岩土爆炸弹坑数值模拟方法。多物质ALE法综合了拉格朗日方法与欧拉法的优点,不但解决了拉格朗日法中材料的畸变问题,而且克服了欧拉法中移动边界描述得不准确的问题,而且容许在一个网格中包含多种材料。利用该法进行了岩土爆炸弹坑的数值模拟,在后处理中通过物质的流动状态来判断弹坑的形态,而无需通过单元删除或网格变形的方法。模拟结果与CONWEP程序计算值基本一致,弹坑的形成过程和最终尺寸都与客观规律吻合得较好,验证了多物质ALE法模拟岩土爆炸弹坑的有效性。

输水隧道地震响应的多物质ALE数值分析

为研究浅埋输水隧道内部流体对隧道地震响应的影响,考虑黏弹性人工边界、土壤的非线性、隧道结构刚度有效率及流-固耦合作用,建立了双线隧道-土体-流体相互耦合作用的力学模型。通过刚度折减试验得到衬砌环环向、径向、轴向刚度,进而引入正交各向异性连续材料作为衬砌材料模型。采用基于任意拉格朗日-欧拉(ALE)描述法的流-固耦合方法,对上海某大直径双线输水隧道在流体作用下的地震响应进行了分析。通过与等效密度法对比,验证耦合模型对于处理输水隧道多物质非线性耦合抗震问题的可行性。计算结果表明,在水平方向地震激励下,无论一致激励或是非一致激励流体对隧道地震变形和内力都有较大影响,但对位移影响较小;对于不同隧道内水量,隧道弯矩均集中于衬砌隧道45°交叉斜线位置;相比于一致激励,非一致激励增强隧道地震位移和变形响应是明显的。

基于MOF界面重构的多物质ALE方法

提出一种基于MOF(Moment-of-Fluid)界面重构的多物质ALE(Arbitrary Lagrangian-Eulerian)方法.流体力学方程组采用相容有限元方法进行空间离散.提出一种新的二维子网格力学模型,用来计算混合网格中的物理量经过一个拉氏步后发生的变化,混合网格内的界面重构采用MOF方法.提出一种精确积分守恒重映方法.给出数值算例,如空气和水的Riemann问题,Dukowicz问题,水中强激波与空气泡相互作用问题等.结果表明,方法具有较高的精度,能够处理物质界面和网格的大变形问题.

多物质ALE方法在海啸波冲击方柱问题中的研究

近年来世界各地海啸灾害频发,严重危害海工建筑物的安全。从防灾减灾角度出发,研究海啸波对结构物的冲击作用十分重要。已有室内实验或数值模拟中常用溃坝波来模拟海啸波。文章采用多物质ALE方法构建了海啸波与结构物相互作用数值模型,并通过经典算例验证了该方法的正确性。在此基础上,开展了双柱顺排和三柱错排布置形式下海啸波对方柱体的冲击问题研究。结果表明,前柱受力与单柱接近,而跟结构布置形式无关;双柱顺排布置会呈现明显的屏蔽效应,当间距较小时,后柱受力相比单柱会降低50%以上;三柱错排布置会产生聚焦效应,在某些间距下,后柱受力相比单柱增大约10%。因此,在海工建筑设计和滨海城市规划中应根据当地海啸风险大小适当考虑建筑布置形式,以最大程度减少海啸破坏。

地下管廊在燃气爆炸作用下的动力响应分析

在燃气通过地下管廊输送过程中,若燃气泄漏进入管廊内部并引起爆炸将会产生严重的后果。以平潭综合试验区环岛路管线工程为背景,借助LS-DYNA非线性动力分析有限元软件,基于流固耦合和ALE多物质算法,建立地下空间燃气爆炸数值计算模型,探讨管廊内燃气爆炸过程中爆炸冲击波对管廊结构的影响。数值计算结果表明:在爆炸过程中,超压峰值从爆源中心转移到波阵面上,导致爆源附近压力低于波阵面压力,爆源附近形成负压区;爆炸荷载作用下,燃气仓内距离爆源最近的内墙上的测点超压值最大,在t=7.8ms时达到最大值为18.65MPa,且在t=10ms左右时,位移和速度达到最大值,分别为10.47mm、3.303m/s;气体爆炸后,管廊燃气仓内墙正负压振荡时间持续较长,振动现象最为明显,最易发生破坏。

水下爆炸冲击过程三维数值模拟

为研究无限域和近水面水下爆炸冲击波压力特点以及近水面的物理特性,基于多物质ALE方法,采用ANSYS/LS-DYNA有限元分析软件,对无限域和近水面水下爆炸进行了三维数值模拟,再现了爆轰产物、水以及空气多物质介质间的相互作用过程。分析发现,在爆深不变的情况下,随着测深的减小,自由面对冲击波的影响主要体现在减小入射冲击波波形脉宽和削弱冲击波峰值压力上;相同当量炸药在自由面产生的水柱,其上升的速度随着爆深的减小而逐渐增大。定性地分析了近水面水下爆炸的密度分布情况,以及不同爆深情况下自由面水柱的形成过程。通过数值模拟研究了冲击波压力值的特性,并与经验值进行了对比,验证了计算模型具有较好的计算精度,同时三维再现了水下爆炸的复杂物理现象。

水下钻孔爆破岩石各区应力的数值模拟

结合连续介质力学和动力非线性有限元理论知识，通过ANSYS/LS-DYNA建立20 m水深和无水两种情况下的钻孔爆破模型，采用多物质ALE算法，模拟得出了从孔底起爆时爆炸冲击波引起的应力响应，并根据岩石破碎机理判断出粉碎区、裂隙区和弹性振动区，在5-8倍的药柱半径范围内，由冲击波压碎岩石形成粉碎区，临界径向压应力为207 MPa左右，在10-14倍的药柱半径范围内，岩石被割裂形成裂隙区，且切向拉应力起主导作用，其临界值为16.1 MPa左右，对比分析两种模型的计算结果可知，水介质的存在会减缓冲击波与爆轰气体的衰减速率。

孔隙水压力及炸药埋深对堤坝爆炸效应的影响分析

爆炸荷载作用下的堤坝破坏形态研究在国防以及工程应用中都具有重要意义。为了研究堤坝在不同爆炸工况下产生的破坏形态,在LS-DYNA软件框架内,建立了适合于爆炸荷载作用下土体动力分析的实用模型,并基于多物质ALE法,对均质土坝遭受爆炸袭击开展了仿真分析,得到了不同炸药埋深以及不同孔隙水压力上升程度下的堤坝爆炸弹坑形态。结果表明,随着炸药埋深的增加,堤坝弹坑尺寸具有增大的趋势,但当埋深超过一定范围,则无法形成弹坑;同时,爆炸荷载作用下含水土体的孔隙水压力发展对弹坑的形成具有重要影响,孔隙水压力上升程度越强,产生的弹坑尺寸就越大。研究结果可以为堤坝抗爆安全设计以及爆破拆除堰塞坝等工程提供参考。

球体撞击自由液面相关效应的数值模拟方法研究

采用多物质ALE(Arbitrary Lagrangian-Eulerian)仿真方法,对球体入水时引发的水花、空泡及其所受冲击力等内容进行了系统的研究。首先,将通过仿真得到的水花和空泡的发展过程与实验、理论数据的对比,证明多物质ALE方法不但可以再现结构入水的复杂过程,还能较好地反映密度,冲击速度及表面亲水性等因素的影响;进而,计算了分析了小球入水时所受冲击力系数的变化规律;最后,研究了并行计算对提高大规模流—固耦合问题计算效率的效果。结果表明:多物质ALE流—固耦合方法是仿真结构入水过程的有效手段,而优化后并行计算技术则可大大提高复杂结构入水时的仿真计算效率。

水下钻孔爆破不同起爆方式的数值模拟

以连续介质力学和动力非线性有限元理论为基础,推导了炸药、岩石和水的ALE控制方程,采用多物质的ALE算法模拟了实际工程水下岩石钻孔爆破装药中不同位置起爆时爆炸产生的应力波在岩石介质中的传播过程。模拟结果表明:无论以何种方式起爆,端部效应现象始终存在,都会影响水下钻孔爆破上部岩石破碎质量;岩石与水接触面处由于反射波作用,提高了岩石爆破质量;两点起爆效果比单点起爆好,距两端1/4处同时起爆药包的爆破效果最好。研究结果可为水下钻孔爆破工程应用和安全施工提供参考。

间隔装药爆炸地表垂直震动速度的数值计算

垂直震动速度是爆破震动强度的一个重要指标,在对以往垂直震动速度的预测方法进行回顾的基础上,提出了利用数值计算的手段对爆破震动速度进行估计的方法,同时对岩粉、水和空气3种不同间隔装药结构下的不同质点处的震动速度进行了计算。计算结果表明,在爆心距不太大的情况下,计算结果与实测结果吻合较好,而随着爆心距的增加误差有增大的趋势;对不同装药结构而言,水间隔装药条件下的地表垂直震动速度最大,岩粉间隔装药次之,空气间隔装药最小。

波浪冲击作用下核电站防浪堤动力响应的数值模拟

基于多物质ALE(Arbitrary Lagrangian-Eulerian)方法,利用带阻尼罚函数实现波浪与防浪堤结构间耦合作用,模拟波浪冲击作用下防浪堤结构及流体三维动态响应过程,所得结果与物理模型试验结果一致性较好。讨论挡浪墙表面波压力分布及挡浪墙所承受最大水平推力及结构动态响应对波浪冲击系数影响。结果表明,前挡浪墙静水面位置与后挡浪墙底部波压力较大;后墙承受波浪水平推力较大;结构动态响应会增强波浪的冲击作用。仿真结果可作为防浪堤强度设计重要依据及控制越浪量设计参考。

双舷侧间介质对水下爆炸结构损伤的影响

该文基于LSDYNA 软件的欧拉-拉格朗日耦合算法对水下爆炸载荷下的结构损伤问题进行数值仿真,采用Lagrange 壳单元模拟双舷侧结构,采用ALE 多物质单元模拟炸药、水、空气等物质,并利用JWL 炸药模型定义爆炸载荷。通过比较舷侧间填充不同介质的工况下双舷侧结构的破坏情况,发现舰船舷侧不装载压载水的情况下,在遭受爆炸冲击时更加安全。

海上风机大直径单桩动态打桩过程数值仿真分析

在海上风电场建设中,基础施工是项目建设中最重要的关键环节之一,因此研究超大直径单桩动态打桩过程中桩-土-水相互之间的耦合效应有非常重要的意义。分析了海上风机大直径单桩的动态打桩过程,以江苏启东H3海上风力发电场建设过程中的沉桩为工程背景,使用商用有限元软件LS-DYNA进行建模,基于多物质ALE流固耦合法,通过定义多物质材料和流固耦合关键字建立了流体(海水和土壤)和固体(桩体)之间相互作用的耦合机制。对动态打桩过程中土体的应力、应变、体积分数以及沉桩阻力的变化规律进行了仿真分析,发现在桩端附近的土体有明显的应力集中区,应力分量的等值线具有类似于“应力泡”的层状结构,这表明桩端土体具有类似球形的扩张形式。随着贯入深度的增加,桩端处的压应力也在逐渐增大,但各应力集中区的影响范围和等值线的轮廓形状变化不大,说明动态打桩过程对土壤的影响范围是有限的。每次击打过后,由于应力波的反射作用和土体受压缩出现的塑性屈服,桩体会先向下移动一段距离再向上回弹一段距离,从而导致沉桩阻力先增大后减小,直到下一锤击又开始。为海上风机大直径单桩的动态打桩过程提供了数值仿真建模参考和实用的分析方法。

透空率对多层建筑物海啸冲击荷载的影响

近年来世界各地海啸灾害频发,对沿海地区建筑物和基础设施造成严重破坏,因此开展陆上建筑物抗海啸荷载研究具有重要意义。文章基于多物质ALE方法,构建了空气-海啸波-结构物相互作用数值模型,模拟研究了多层建筑物的透空形式和透空率对海啸荷载的影响。计算结果表明:当海啸强度相对较弱时,透空率大小对海啸冲击荷载影响十分显著,后者会随透空率的增加而明显减小;然而,当海啸超过一定强度后,均匀透空布置形式下透空率的增大对海啸冲击荷载的削减效果变差,但若底层完全透空仍可以产生显著的削弱效果,此时可将海啸荷载削减至不透空形式下的20%左右。此外,研究还发现,海啸冲击建筑物时的水体爬高随建筑物透空率的增加而减小,建筑物前因反射作用而产生的弓形波也随之减弱。

考虑结构响应及轴线形状的防浪堤抗波浪冲击数值模拟研究

采用多物质ALE(Arbitrary Lagrangian-Eulerian)方法对核电站防浪堤受波浪冲击过程中挡浪墙表面波压力和结构响应规律进行研究。建立与物理模型1∶1的三维直型防浪堤-波浪耦合模型,通过与波浪理论公式和物理模型试验结果对比,验证该文采用的数值造波和耦合冲击方法的可行性。在此基础上建立与实际模型1∶1的三维直、弧型防浪堤-波浪耦合模型,分析了防浪堤结构刚度、断面尺寸以及防浪堤轴线形状对波浪冲击过程中波压力和结构响应的影响。结果表明:防浪堤前、后表面最大波压力分别出现在静水面位置和后墙底部;前墙和堤顶宽度对后墙具有保护作用;结构响应增强前墙波压力,但对后墙波压力有减弱作用;防浪堤轴线方向突变处波压力与结构应力较大。

核电站防波堤抗海啸漂浮物冲击数值模拟及分析

对海啸漂浮物冲击沿海防浪堤造成的结构安全问题,基于多物质ALE(Arbitrary Lagrangian-Eulerian)方法,利用带阻尼罚函数实现波浪、海啸漂浮物和防浪堤结构三者之间的耦合作用,建立三维数值冲击耦合模型,模拟了孤立波带动漂浮物冲击防浪堤结构的动态响应过程.首先通过物理模型试验验证所用数值方法的可靠性,在此基础上研究了防浪堤挡浪墙抗海上和陆上漂浮物的冲击能力,并且从漂浮物的质量、漂浮物距挡浪墙的距离等参数对冲击规律展开研究.结果表明,带漂浮物的海啸相比海啸波对结构更具破坏力;漂浮物质量和相对于防浪堤的初始位置对防浪堤的冲击响应有较大影响.