考虑气体的渗流应力耦合模型在黄壁庄水库中的应用

目前建立的多孔介质耦合模型通常认为气体是不可压缩的,无法描述气体的输运过程,无法反映气体对水体入渗和固体变形的影响。为了描述多孔介质中固液气三相的渗流应力耦合过程,基于多孔介质理论和有效应力原理,提出了一种耦合了改进守恒水平集(ICLS)方法并考虑气体可压缩性的固液气三相渗流应力耦合模型。将该方法应用于黄壁庄水库坝前冒泡现象的渗流应力耦合分析中,模拟了水位骤升后,固体变形、水体入渗和气体运移过程,及其耦合效应。计算结果表明,该方法能够简单直观的描述水气两相的运移过程及渗流应力耦合过程,且模拟结果与实际观测结果基本一致。

三维可变形圆化多面体离散单元法

为真实模拟岩体的变形特性与运动形态,将圆化多面体离散元法与有限单元法结合,提出一种三维可变形圆化多面体离散单元法。该方法既能真实表征块体的不规则特征,又降低了接触判断的难度,同时能准确反映块体的变形特性。在求解切向接触力时,将接触判断对象从接触对简化为单元整体,显著提高了计算效率。为分析块体变形特性,在块体离散单元内部划分有限元网格,将最外层有限元网格作为最小接触单元。采用直接平均法,将接触力转化为等效节点力,并采用非线性有限单元法实现对单元变形特性的精确模拟,克服了圆化多面体无法反映单元变形的缺陷。通过5个算例论证了新方法在捕捉单元变形、运动形态以及其力学特征等方面的准确性和高效性。

圆化离散单元法的改进及其在岩体断裂过程中的应用

为精确模拟岩体断裂的演化过程,将有限单元法与圆化多面体离散元法相结合,提出一种用于模拟断裂全过程的三维可变形圆化多面体离散单元法。为模拟块体的真实破坏状态,该方法将每个岩体颗粒都离散成有限单元,沿有限单元的边界嵌入无厚度节理单元,最后采用判断节理单元状态的方式来捕捉断裂过程产生的裂缝,岩体颗粒与断裂表面之间的接触相互作用通过圆化多面体离散元法求解。通过5个算例说明新方法的准确性和有效性,可用于模拟准脆性材料的断裂全过程,且能够捕捉裂缝萌生和扩展以及块体之间的碰撞和变形。

滑坡涌浪作用下某电站事故闸门动力响应分析

滑坡涌浪可能造成闸门大变形和失稳,研究某电站进水口事故闸门在滑坡涌浪动水压力作用下的动力响应问题对电站安全生产具有重要意义。采用自编程序模拟了不同工况下库区滑坡涌浪过程,将滑坡涌浪数值动水压力转化为施加在平板钢闸门有限元模型上的节点荷载,利用动力时程方法得到了闸门在滑坡涌浪作用下的动力响应,依据规范对闸门的动力响应做出评价。结果表明:闸门在正常蓄水位下受滑坡涌浪动水压力作用位移和应力响应值最大,在死水位下受滑坡涌浪动水压力作用闸门的动力响应影响更为明显;闸门在正常蓄水位下受滑坡涌浪动水压力作用的位移响应最大值为9.27 mm,Mises应力最大值为192.06 MPa;各个构件动应力水平较低,满足规范要求,在滑坡涌浪动水压力作用下可安全运行。

滑坡涌浪作用下弧形闸门动力响应数值分析

库岸滑坡是一种常见的地质灾害,滑坡体入库后诱发的涌浪可能会严重威胁库区内闸门结构稳定性。针对弧形钢闸门在滑坡涌浪作用下的动力响应问题,以某深孔弧形工作闸门为例,通过自编有限元程序模拟滑坡涌浪过程,将计算出的涌浪动水压力转化为闸门的节点荷载,基于动力时程法得到闸门动力响应,并结合闸门静力计算结果进行对比分析。结果表明,在滑坡涌浪作用下,主梁后翼缘和竖梁后翼缘的应力响应最大,闸门各个构件中支臂的位移响应最大;相比于正常蓄水位时的滑坡涌浪,死水位时的滑坡涌浪对闸门结构应力和位移响应的影响更大。

基于浸入边界法的高解析度CFD-DEM流固耦合方法

根据流固耦合问题的普遍性,提出了基于浸入边界法的高解析度计算流体力学-离散元法(CFD-DEM)流固耦合方法.新方法采用基于欧拉框架的计算流体力学方法描述流体的运动,采用基于拉格朗日框架的离散元法描述固体的运动及碰撞,在离散单元的表面布置浸入边界点,解决固体运动过程中与流体间的移动且未知的边界问题.为验证方法的准确性,模拟了圆柱绕流涡激振动、方块驰振两个经典算例,计算结果与数值解吻合度高,说明新方法能够准确描述流固耦合作用.最终,将该方法应用于多块体沉降的模拟,结果表明新方法能够反映流场的复杂变化,有效处理包含大量任意形状离散块体碰撞的流固耦合问题.

民机电驱动刹车系统动力学研究综述

温室效应对全球环境产生了巨大的影响,飞机在高空飞行过程中排放的废气相较于地面排放对大气影响更大.并且商业航线也朝着更密集的趋势发展,为了实现航空出行的无碳化,促使商业飞机朝着多电,甚至全电化发展.相较于传统飞机,多电和全电飞机的刹车系统都采用电驱动代替液压驱动,而电驱动刹车系统的性能品质是多电/全电飞机安全稳定着陆的关键因素之一.通过总结国内外有关多电/全电飞机以及电驱动刹车的技术发展历程,介绍了民用多电飞机电驱动刹车的结构组成,以及此类电驱动刹车各子系统、子系统之间交互的动力学建模方法.由于电驱动刹车系统可以归结为由多个刚性子系统组成的多体系统,子系统之间的接触因为间隙、摩擦存在不连续的相互作用力.另外,飞机在着落接地瞬间存在冲击,滑跑过程中主机轮由于存在滑动,与地面的摩擦力系数随时间变化,这些也会给整个刹车系统引入不连续性.民用多电飞机电刹车系统的子系统之间接触力存在不连续而引起的系统交互的不连续,以及外部不连续激励引发电刹车系统产生复杂动力学行为的机理是未来的研究重点.

循环荷载作用下的混凝土弹塑性损伤本构模型及数值实现

该文建立了一种描述混凝土在循环荷载作用下复杂力学行为的弹塑性损伤模型。该模型借助四参数等效应变将复杂的多轴问题转换至单轴等效应变空间中求解,考虑了混凝土卸载过程中的刚度退化现象及不可逆变形。同时针对等效应变的非负特性,提出了拉压转换处理方法,从而在求解损伤变量时无需区分拉损伤和压损伤。该文提出的弹塑性损伤模型数学形式简洁,且实现过程不依赖于四参数模型,实现方法普遍适用于各类混凝土等效应变模型,通过模拟单轴循环荷载试验和Koyna大坝动态损伤过程,验证了该文模型的正确性与可靠性。

多代理模型自动构建及大坝反演分析应用研究

基于二分法进行自变量子空间的划分,依据已有模型的预测误差及预期标准,实现不同规模的子空间中样本采集及模型训练、检验和保存流程的自动执行,直至所有子空间所属代理预测模型均达到预期精度。采用支持向量回归(SVR)训练建模,并通过粒子群算法(PSO)优化获得PSO-SVR代理模型。针对显式函数的多代理模型自动构建和验证结果表明,相比于初始全局代理模型,空间划分多代理模型在全局预测精度和局部误差控制方面均有明显提高。为此,建立基于PSO-SVR多代理模型和麻雀搜索算法(SSA)的大坝参数快速反演方法,并应用于坝基渗流参数的准实时反演,根据反演成果分析坝基局部测点水位偏高的成因,为大坝实时在线监控提供有效的技术支持。

穿越不良地质段的长距离深埋输水隧洞纵向变形数值分析

以珠江三角洲水资源配置工程为依托,研究长距离深埋盾构隧洞在穿越不良地质段时衬砌结构的纵向不均匀变形,以保障隧洞施工与运行期的安全稳定。本文采用三维非线性有限单元法对长距离深埋隧洞纵向变形开展研究,精细模拟衬砌接缝以及缝间螺栓,考虑围岩应力的开挖释放,计算复杂地质条件下隧洞衬砌接缝变形与应力状态。研究结果表明:设计参数下,断层破碎带处接缝的最大张开和错台变形量分别为1.065 mm与0.276 mm,螺栓最大拉应力为363.05 MPa,内衬环向拉应力最大值为0.99 MPa,隧洞纵向稳定性满足设计要求;断层破碎带弹性模量的变化对衬砌的纵向变形有较大影响,接缝变形与螺栓应力均随断层模量的减小而显著增加。该结果合理,具有较好的规律性,可为类似工程的设计提供参考。

基于浸入边界法的海上风电双向流固耦合数值模拟方法

为研究海上风电机组在运行过程中的流场特性及流固耦合动力响应,引入海上风电机组整机系统一体化分析理念,提出基于浸入边界法的海上风电双向流固耦合运行过程模拟方法。其中,采用浸入边界法模拟了风机旋转引起的静动干涉问题,基于交错迭代法构建了适用于风电机组“风机-塔架-基础”一体化研究的双向流固耦合数值模拟方法。该方法能够真实反映海上风电机组的流固耦合效应,准确求解其动力响应。所采用的浸入边界法无需更新网格运动,能够高效求解风电机组叶片旋转引起的静动干涉问题。最后,将该方法应用于工程实践,模拟了某海上风电工程双向流固耦合运行全过程。

结构物砰击入水过程的CFD-DEM-IBM数值仿真

为实现入水过程的精细数值仿真,解决入水问题数值模拟所面临的关键技术问题,围绕结构入水过程中固体移动边界的合理描述、自由液面的准确捕捉及流固耦合作用的精细刻画等核心难题,融合计算流体动力学-离散单元法(CFD-DEM)、浸入边界法(IBM)及改进的守恒式Level Set(ICLS)方法,提出了一种CFD-DEM-IBM方法。采用固定的笛卡尔网格离散计算域,分别通过CFD与DEM描述流体与结构运动,引入IBM追踪固体移动边界并获取准确的流固耦合作用力,采用ICLS方法在保证守恒性的同时隐式捕捉自由液面,并通过分区算法,在一个时间步内进行数次交错迭代以反映流固两相间的强耦合效应,建立了高解析度的CFD-DEM-IBM数值模型。通过圆柱常速入水、楔形体对称及非对称入水和多体入水现象仿真分析研究,结果表明,CFD-DEM-IBM方法能够考虑多块体间的相互作用,在准确反映流固耦合效应的同时能够获得高解析度的流场,在多体入水问题处理方面优势显著。

破裂过程模拟的可变形圆化多边形离散单元法

为研究工程中岩体内部裂纹的萌生、拓展和贯通机制,模拟其破裂时接触碰撞的全过程,提出可变形圆化多边形离散单元法。该方法将有限单元法与圆化多边形离散单元法进行耦合,采用圆化多边形离散单元法计算非连续岩体间的相互接触作用,连续体内部的应力应变状态则通过有限单元法进行分析。为准确模拟裂纹演化过程,在有限单元间插入节理单元,采用虚拟裂缝模型和具有拉伸截断的摩尔-库仑准则描述节理单元在拉伸、剪切等不同破坏模式下的力学状态。最后模拟巴西圆盘开裂、单切口弯梁开裂及块体冲击破坏试验。研究结果表明:所提出方法能准确模拟岩体从连续体变化为非连续体的破裂过程。

基于改进Level-Set方法的非稳定渗流自由面数值模拟

含自由面非稳定渗流问题广泛存在于水利工程及岩土工程中,渗流自由面通常随时间动态变化,属于动边界问题,是非稳定渗流研究的重点和难点。本文在有限元框架内提出基于改进守恒Level-Set方法的非稳定渗流自由面数值模拟方法。采用改进守恒LevelSet方法在固定网格上隐式地捕捉非稳定渗流自由面,巧妙避开了其他固定网格方法在处理自由面时的困难,计算方便,且具有良好的质量守恒性和准确性。首先给出了多孔介质非稳定渗流问题的控制方程及其数值离散,之后给出了渗流自由面追踪的方法及物理特性参数的插值方法,最后通过均质土坝、非均质矩形坝、河床下渗问题等经典算例,验证了本文方法的准确性和有效性。

考虑流固耦合效应的单桩式海上风电机组结构响应模拟

针对海上风电整机系统,建立了一体化流固耦合分析方法。在模拟过程中,采用浸入边界法解决风机叶片旋转引起的静动干涉问题,利用改进的守恒式level set(简称ICLS)方法捕捉海浪自由面,并使用交错迭代法求解流固耦合方程。通过构建“风机—塔架—基础”一体化流固耦合数值模拟方法,能够在一次仿真计算中实现海上风电整机系统的全过程数值模拟,准确求解多荷载耦合作用下“风机—塔架—基础”的整体结构动力响应。以某单桩式海上风电工程为例,验证了本方法能够实现对海上风电整体系统的一体化分析。

库区滑坡涌浪数值模拟方法研究进展

对近年来库区滑坡涌浪涉及的边坡失稳、滑动、涌浪产生和传播这4个阶段研究中采用的数值模拟方法的研究进展和发展趋势进行了综述,重点归纳总结了边坡滑动过程以及涌浪产生过程的数值模拟方法的研究成果,指出滑坡涌浪从库区边坡失稳到涌浪传播是一个完整连续的过程,今后需要在目前各个阶段独立研究的基础上融合固体力学和流体力学两类学科中的相关研究方法,建立库区滑坡涌浪全程数值模拟方法,实现滑坡涌浪的全过程模拟。

有初始间隙摩擦接触问题的有限元混合法

针对三维有初始间隙摩擦接触问题,提出了一种新的迭代求解方法——有限元混合法。根据接触问题局部非线性的特点,将作用在接触体上的力系分解为外力和接触界面上的接触力,以接触体的位移为基本未知量,而以接触区域局部坐标系下的结点接触力为迭代变量,将非线性接触迭代收缩在可能接触面上进行,把复杂的摩擦接触非线性反映在接触力的变化上,使得迭代计算变得简单易行,并且对于存在多个接触界面的多体接触问题,可以保持柔度矩阵的对称性和稀疏性,大大提高了计算效率。文中首先给出了三维有初始间隙摩擦接触问题的力学模型,推导得出了相应的有限元柔度方程,然后详细给出了迭代求解步骤。最后通过两个数值算例来验证本文方法的正确性和有效性。

基于混合坐标系的单弹簧联结单元法

在传统双弹簧联结单元法的基础上,提出了一种求解钢筋与混凝土黏结滑移问题的新方法——基于混合坐标系的单弹簧联结单元法.在混凝土实体单元与钢筋梁(杆)单元的切向设置单弹簧联结单元,模拟钢筋与混凝土切向的相互作用,其切向刚度同样是由钢筋与混凝土之间黏结力与滑移量的关系确定.混凝土实体单元在整体坐标系内求解,而为了方便建立法向自由度之间的关系,钢筋梁单元在局部坐标系内求解,通过建立法向自由度约束方程保证钢筋与混凝土的法向变形协调,避开了人为选择法向刚度系数的困难,能够很方便地考虑钢筋对混凝土的销拴效应,并且也适用于钢筋单元在混凝土中任意布置的情况.数值算例表明,该方法是正确和有效的.

有横缝高拱坝非线性地震响应动接触模型

本文针对有横缝高拱坝的非线性动摩擦接触问题,提出一种新的动接触算法——有限元混合法。该方法根据接触问题局部非线性的特点,将作用在接触体上的力系分解为外力和接触界面上的接触力,以接触体的位移为基本未知量,而以接触区域局部坐标系下的结点接触力为迭代变量,将非线性接触迭代收缩在可能接触面上进行,把复杂的摩擦接触非线性反映在接触力的变化上,使得迭代计算变得简单易行,并且当考虑坝体中有多条横缝的情况,可以保持关于接触力的柔度矩阵的带状性和稀疏性,大大提高了计算效率。文中首先给出了有横缝高拱坝的非线性动摩擦接触问题的力学模型,推导得出了相应的有限元柔度方程,然后详细给出了迭代求解的步骤。最后,用本文方法对地震作用下某高拱坝横缝的张开与闭合过程进行了算例分析。

水工闸门流激振动响应的一种计算方法

将作用在闸门上的水动力荷载分解为闸门无振动时的水流脉动压力和由于闸门振动引起的附加扰动流场所产生的动水压力两部分.用定义在频域上的相干函数来分析模型试验测得的脉动压力在各个节点之间的时空相关性,同时考虑脉动压力在不同频率分量上相关程度的不同,形成脉动水流的节点荷载,然后据随机振动理论建立模型试验和数值计算相结合的水工闸门流激振动响应计算方法,并以双口渡电站弧形闸门为例进行了算例分析.计算结果表明,该方法能够较好地满足工程分析的要求,并可以应用于其他水工建筑物的流激振动响应分析.