一种基于物质点法的熔冰仿真方法

为了解决拉格朗日法模拟熔冰时产生的穿模现象,提出一种基于物质点法的熔冰仿真方法。首先,将欧拉空间中的每个拉格朗日粒子视为固-液双相耦合的集合体,实现固相到液相的平稳过渡;其次,在物质点法背景网格上计算热能,采用预处理共轭梯度法求解相变过程的温度线性系统;最后,对潜热现象进行处理,引入虚拟水模型,通过限制虚拟水的移动来实现对冰块外部水流现象的仿真。实验结果表明,该方法不仅能够利用物质点法处理自碰撞的优势解决穿模现象,而且能模拟出真实的潜热过程的水流现象。

基于物质点法的深部煤层水射流破岩成孔机制和影响因素

我国深部煤层气资源丰富,但深部煤层渗透率极低,高应力−压力环境下深部煤层气解吸困难,导致产量低下。水平井水射流冲孔造穴是一种大范围卸压增透煤层的新技术,但在深部赋存环境下其破岩成孔机制还有待研究。由于深部煤层赋存于高地应力、高应力差的地质环境,室内物理模拟实验难以开展。因此,首先基于黏弹塑性理论和物质点法建立了水射流冲孔破岩数值模型,该模型集成拉格朗日和欧拉算法的优势,能有效模拟射流破岩过程中的动量交换、煤岩大变形、破岩、流体剥蚀携岩反排等全过程。然后,通过该数值模型开展了深部煤层水射流破岩成孔机制和影响因素研究,得到结论如下:①深部煤层以高地应力荷载作用造成的剪切破坏为破岩的主导机制,射流主要起到冲蚀和携岩反排的作用,而无应力荷载时以水射流碰撞煤岩产生的应力波造成张拉破坏为破岩的主导机制,由于煤岩塑性较强,水楔效应不明显。②深部煤层高地应力荷载作用加速了破岩过程,冲出煤量比无应力荷载时高,同时应力荷载促使煤体向开孔方向移动,造成空腔体积减小,但塑性损伤区较无应力荷载时明显增大。③冲出煤量、塑性损伤区面积都随射流时间增加而增加,但增幅逐渐变缓。冲出煤量、塑性损伤区面积随入射角度的增加整体呈下降趋势,射流角度越小,水射流冲孔破岩效果越好,射流垂直入射并不是破岩的最佳方式。④冲出煤量、塑性损伤区面积随应力差、煤岩开孔宽度的增加而增加,但应力差的增加对深部煤层射流破岩的促进作用不大。煤层开孔宽度不宜过高,适当增加开孔宽度可以提高射流破岩效率。

基于MATLAB矢量化物质点法的车身防撞梁碰撞分析

基于MATLAB矢量化的物质点法(material point method,MPM)框架,分析车身前防撞梁的碰撞冲击问题。MPM在每一迭代步将物理参数在物质点和背景网格间相互映射,使用MATLAB矢量化框架可以使用户在快速入门的同时保证求解效率,其应力更新采用车身结构材料的弹塑性本构模型。前防撞梁碰撞冲击数值算例结果表明,MPM可以保证求解精度,同时矢量化技术可以大幅提高求解效率。

基于物质点法的白格滑坡堰塞坝形成过程数值模拟

为准确模拟堰塞坝的形成过程,在物质点方法中引入了滑动速度依赖型的摩擦系数模型,实现了滑面接触算法的求解,并与试验结果对比验证方法的可靠性。在此基础上,反演了白格滑坡堰塞坝的形成过程,探讨了滑床底摩擦对堰塞坝成坝模式的影响规律。研究结果表明:白格滑坡堰塞坝形成过程可分为滑坡体加速运动、河谷制动和堆积成坝三阶段。白格滑坡速度最大达到45 m/s且最大速度位于滑坡体后缘,而滑坡体前缘受到河床底部摩擦影响,速度不稳定,变化幅度大且比滑坡体后缘早20 s制动。不同滑面接触模式决定了滑坡最终堆积成坝的状态:若采用滑动速度依赖型的摩擦系数模型模拟,则能够真实反映白格滑坡堰塞坝堆积状态;采用滑面的峰值摩擦系数计算,则导致计算的白格滑坡运动距离减小了32%,不能形成完全堵塞金沙江的堰塞坝;而采用残余摩擦系数计算,则导致计算的白格滑坡运动距离增大了12%。研究成果对加深堰塞坝成坝模式的认识具有意义,对于滑坡堰塞坝链生灾害预测及防灾减灾应急抢险处置具有一定的参考价值。

物质点法流固交互表面细节优化算法

为了增强现有物质点法流固交互中表面细节,同时改进大量固体粒子对其表面重建没有贡献的问题,提出一种高效的流固交互自适应物质点法.首先使用一种接触面离散积分点方法解决物质点法中出现的数值黏性伪影问题,实现流固移动接触面上粒子的自由滑动;然后引入自适应广义插值方法,在流体和固体的不同区域自适应地调整网格分辨率,增强表面细节;最后采用窄带仿射粒子网格方法,通过粒子重采样减少固体内部粒子数量,从而在节省内存空间的同时减少计算量.利用斯坦福开源模型进行多组消融实验,结果表明,与均匀背景网格物质点法相比,所提方法流固交互表面细节更丰富,消融实验场景下整体粒子数减少80%,平均模拟效率提高50%.

基于改进对流粒子域插值物质点法的隧道大变形分析

物质点法(MPM)在模拟大变形问题时具有很好的效果,然而传统的MPM在粒子穿越网格边界时存在单元穿越误差,导致精度降低。为克服传统MPM的单元穿越误差,基于对流粒子域插值物质点法(CPDI)理论框架,采用自适应正交改进插值移动最小二乘法(AOIIMLS),提出了改进CPDI方法。AOIIMLS通过构造加权正交基函数,并且忽略了新对角矩阵中的零元素或极小元素的贡献,以避免求解逆矩阵,增强了鲁棒性。改进CPDI采用速度梯度计算粒子域的速度场,粒子速度和粒子域角点速度用于重构背景网格速度函数。通过一维柱在自重作用下的压缩、砂柱坍塌和隧道坍塌离心机试验验证了改进CPDI方法的准确性和适用性,结果表明改进CPDI降低了单元穿越误差,得到了更高的精度。最后,采用改进CPDI方法模拟了青岛地铁4号线静沙区间地面塌陷全过程,验证了改进CPDI方法在岩土工程大变形领域的适用性及优势。

基于固液两相耦合物质点法的饱和地基液化数值计算方法

为研究动力荷载作用下饱和地基液化问题,编制了可用于分析固液两相介质相互作用的三维显式物质点法程序MapleLeaf。首先,基于多孔介质理论,采用单点格式同时描述固液两相介质,推导u-p格式下固液两相耦合物质点算式;然后,通过静水压力柱三维模型及太沙基一维固结理论模型的数值解与理论解的对比分析,验证程序在固液两相静力条件下物质点法数值计算的可靠性;接着,增加动力算法模块,引入可用于分析动力条件下饱和土体液化问题的Cyclic Mobility本构模型;最后,分别基于现有文献及现场制备的振动台饱和地基模型,建立物质点数值模型,通过物质点法模型数值解与试验结果的对比分析,验证程序在动力条件下饱和地基液化问题分析的准确性。结果表明:基于物质点法的固液两相耦合数值计算方法能够较好反应动力条件下饱和地基液化前后超孔隙水压值的增长和消散的基本规律。编制的物质点法程序能够准确分析动力荷载作用下饱和地基液化问题。

冷喷涂中氧化物影响的物质点法模拟

冷喷涂利用冲击载荷下材料的塑性变形实现金属间的固态结合,在表面修复、特殊材料制备和增材制造等工程应用方面具有重要意义。原材料表面的氧化物是影响冷喷涂中材料结合效率和粘接强度的重要因素之一。本文采用物质点法研究了颗粒及基底表面氧化物对粘接过程的影响。通过分析界面处氧化物的残留情况,借助定义的颗粒内极端塑性变形区的体积比,给出了不同冲击速度下颗粒和基底氧化物对接触面积和塑性变形程度的影响规律。当氧化物存在时,提高颗粒的冲击速度能够同时增加新鲜的金属表面和塑性变形。

超高速碰撞下相变效应的交错网格物质点法研究

超高速碰撞下的结构毁伤过程常伴随材料相变、断裂失效及碎片云的产生与演化,其所具有的压力强间断、材料非线性等几何大变形等问题给数值模拟带来了困难。交错网格物质点法SGMP通过背景网格格心积分消除了物质点法MPM跨网格误差,是模拟固体冲击爆炸等极端大变形与材料破坏问题的一种有效数值分析方法。本文将含金属相变的GRAY状态方程及含非线性内聚力断裂的Johnson-Cook修正金属模型引入SGMP中,模拟超高速碰撞单层、多层靶板问题。结果表明,SGMP和修正金属模型可以很好地模拟超高速碰撞问题中的碎片云形貌特征和相变效应。

土体颗粒物流动物质点法模拟的弹塑性和非牛顿流体本构模型比较研究

土体颗粒物流动是一种典型的大变形破坏,具有非牛顿流体的流动特征。准确模拟土体颗粒物的流动及冲击过程,对滑坡和泥石流等地质灾害的防治具有重要意义。物质点法是一种无网格粒子类方法,已在各类大变形问题中得到了广泛应用。以往土体颗粒物流动的模拟,通常采用弹塑性本构模型,但缺乏对非牛顿本构模型的模拟分析。本文引入非牛顿本构模型的模拟分析,旨在为土体颗粒物流动模拟提供一种新的方法与思路。非牛顿本构模型的模拟分析是将非牛顿广义Cross模型引入三维物质点法,通过人工阻尼力模拟颗粒间的摩擦力,对土体颗粒物的坍塌、沿斜面滑动以及冲击障碍物等问题进行了动态模拟,研究了其运动全过程,并与弹塑性本构模型的模拟结果进行了对比验证。结果表明,基于非牛顿流体本构模型的物质点法可以较好地模拟土体颗粒物加速、减速到再次稳定的流动全过程及其对障碍物的冲击效应。

物质点法模拟的大规模并行算法

【目的】物质点法是一种无网格法,常被用于求解碰撞、侵彻和大变形问题。一方面,为了获得更真实的模拟效果,实际应用场景涉及数亿的物质点和网格,这对存储资源和计算能力提出要求。另一方面,物质点和网格之间频繁的插值,需要综合考虑两者实现任务的划分,而物质点的分布相对于背景网格是不均匀的,设计灵活的划分方式实现任务负载均衡成为问题的关键。基于此,本文设计并实现了物质点法的大规模并行模拟算法。【方法】为了使得进程间的任务量相对均衡,对物质点实现自适应划分设计,然后对网格点上的数据依赖和进程间移动的物质点进行通信设计,最后实现了物质点和网格点耦合的并行。【结果】针对物质点法求解侵彻问题,强扩展性获得80%以上的并行效率。【局限】由于物质点不断在空间移动,对物质点进行动态负载均衡设计可能会获得更好地加速效果。【结论】本文实现了物质点法的三维自适应划分并行设计,获得了良好加速效果,相关的数据依赖分析为之后的动态负载平衡的设计和优化提供参考。

颗粒材料柱体崩塌物质点法数值模拟

为了研究颗粒材料崩塌的运动规律和堆积特性,采用物质点法对颗粒材料柱体崩塌试验进行数值模拟,并将模拟结果与试验结果进行对比验证。对颗粒材料柱体崩塌过程中颗粒的流动特性(滑动距离、堆积高度、速度、能量和动能通量的演化)进行了分析。进一步探究了颗粒材料柱体高宽比对颗粒流动能通量的影响,从而反应颗粒材料柱体崩塌过程中颗粒流的破坏能力。颗粒材料柱体高宽比越大,颗粒材料柱体外侧边缘颗粒速度越大,其溃散的程度更加强烈,并且滑动距离和动能均在增大。对于动能通量的分布,水平方向越靠近初始颗粒材料柱体,动能通量越大。

线性化改进物质点法的颗粒流仿真

作为一种新近发展出的无网格法,物质点法综合了基于网格方法的准确性与计算效率,以及无网格法对多种极端情境的适应性,因此该方法对采取连续介质模型的颗粒流数值计算等大变形问题十分有效。为提高物质点法对于颗粒流的计算效率,本文对物质点法进行了线性化改进并基于改进算法给出了若干算例。以物质点法的背景网格的结构化特点以及Courant-Friedrichs-Lewy(CFL)条件为基础,改进了自然坐标系到整体坐标系的求解过程,并使用改进的物质点法对颗粒流的颗粒堆坍塌、筒仓排出以及曲面上颗粒流对半球体的碰撞等算例进行了计算。在计算精度损失较小的情况下,提高了物质点法求解颗粒流问题的效率,验证了此改进方法的有效性与稳定性。

基于物质点法的远程滑坡碎屑流运动过程模拟及特征分析

目的 研究远程滑坡碎屑流运动过程以及运动过程中速度、滑动距离、动能变化,为滑坡碎屑流灾害的预防和治理提供参考。方法 基于物质点法,以塔合曼和乱石包两个远程滑坡碎屑流工程实例为背景,对两个滑坡碎屑流的运动过程进行数值模拟;并对塔合曼滑坡碎屑流运动过程中水平、垂直方向运动速度分布,内摩擦角对运动过程的影响,以及乱石包滑坡碎屑流铲刮效应对堆积形态、动能变化的影响进行分析。结果 两个滑坡碎屑流最终堆积形态模拟结果与实测结果吻合良好,验证了数值模拟结果的有效性;塔合曼滑坡碎屑流随着内摩擦角从18°增加到33°,动能峰值降低71.4%,最终势能增加54.4%,滑坡碎屑流的能量耗散减小47.8%;在乱石包滑坡碎屑流实例的模拟中,速度云图呈现了滑体速度场的层状分布特征。结论 内摩擦角对滑坡碎屑流的动力过程影响十分显著;乱石包滑坡碎屑流的滑体在高速滑移阶段存在强烈的内部剪切作用,并且铲刮效应对滑坡碎屑流的运动起到了一定的阻碍作用。

基于对流粒子域插值物质点法的壳结构分析

物质点法(material point method,MPM)采用Lagrange质点和Euler网格双重描述,适合处理大变形和接触问题.该文基于对流粒子域插值物质点法(CPDI2)框架分析了薄壳结构的大变形问题:使用四边形网格来离散壳体结构,通过物质点到壳单元节点再到背景网格节点的双重映射计算基函数,在背景网格上求解动量方程,基于BT壳单元理论更新物质点的内力.数值算例将受大变形的壳结构与参考解进行了比较,验证了该文方法的准确性.

滑坡失稳运动过程的物质点法模拟及动力特性分析——以三峡库区盐关滑坡为例

滑坡失稳运动的动力学过程及影响范围对滑坡灾害的风险区划分和防控具有重要影响。为了能准确且系统地分析滑坡失稳运动过程中的动力特性变化,对三峡库区湖北省秭归县盐关滑坡失稳运动过程详细调查分析,通过滑带土的室内环剪试验获得其残余强度变化规律及不同剪切速率的滑带土运动参数。采用适用于大变形模拟计算的物质点法(MPM),再现了盐关滑坡的2次运动堆积过程,并分析了滑坡运动过程中的速度、能量、冲击力等动力特性的动态变化与阶段特征。结果表明,盐关滑坡物质点法(MPM)模拟结果与现场勘测运动距离和滑坡堆积形态相吻合;滑坡2次运动过程均经历失稳启动、加速滑动、减速堆积和停止4个阶段;第一、二次滑动分别在第10、31 s时达到了1.9、3.2 m/s的速度峰值,总动能为1.57×10^(7)、1.60×10^(8) J,冲击力峰值为7.82×10^(3)、3.87×10^(4) kN;滑坡平均速度、总动能及最大冲击力均随滑距增加呈现先增加后减小的变化趋势。物质点法应用于滑坡动力学分析取得较好的效果,室内环剪试验获取的控制滑坡运动的滑带土残余摩擦系数为物质点法模拟计算提供了可靠的数据支撑。滑坡失稳运动过程的动力学特征在滑坡灾害范围和危害程度预测及风险评价中具有重要意义。

基体表面粗糙度对冷喷涂粒子沉积过程影响的物质点法数值分析

目的 解决有限元法模拟冷喷涂粒子沉积过程时存在的网格畸变等问题,并探讨粒子和粗糙基板的结合方式。方法 基于物质点法建立冷喷涂粒子沉积的仿真模型。利用FORTRAN语言自编程序对铜粒子冷喷涂铜基板的过程进行仿真分析,并与其他研究中的试验结果进行对照,结果吻合较好,表明物质点法模拟冷喷涂粒子沉积问题是可行且有效的。此外,分析基体表面粗糙度对粒子沉积过程的影响规律,并探讨粒子在不同位置沉积的结合机理。结果 随着表面粗糙度的增大,粒子扁平化趋势增大,回弹动能减小。表面粗糙度足够大时,粒子射流可能和基板形成机械咬合结构;粒子在波谷处沉积时受两侧波峰作用难以扁平化,但是凹坑深度增大,回弹动能减小,粒子基板结合强度增大;粒子在左侧半腰处沉积时,其在切向速度分量作用下与右侧波峰形成二次接触,形成了较长的射流。结论 粒子与基板的结合强度随着表面粗糙度的增大而增大。粒子在波峰处可以形成机械咬合结构;在波谷处凹坑深度增大、回弹动能减小,起填充作用;在半腰处能够与右侧波峰产生二次接触,增大结合强度。研究结果可为冷喷涂工艺生产提供一定指导。

基于物质点法弹丸侵彻靶板的仿真与结构优化

为了避免有限元法模拟侵彻时因材料大变形导致的网格畸变及其他问题,基于物质点法建立了弹丸侵彻靶板的数学模型,利用FORTRAN编写程序对案例进行仿真,通过与已有文献中有限元法仿真结果进行了对比和分析,验证了物质点法模拟弹丸侵彻靶板的可行性。通过该方法对弹丸侵彻三层蜂窝夹芯靶板的过程进行了模拟仿真,结果表明同等质量的蜂窝结构三层夹芯靶板的抗侵彻能力显著提高。采用优化后的蜂窝夹芯靶板结构,对相同入射速度的弹丸侵彻不同蜂窝胞元壁厚、不同厚度蜂窝板的蜂窝夹芯靶板进行了模拟,分析蜂窝结构参数对靶板抗侵彻能力的影响规律,发现随着蜂窝胞元壁厚和蜂窝板厚度的增加,蜂窝夹芯靶板的抗侵彻能力先上升后趋于平缓。研究结果为弹丸侵彻蜂窝夹芯靶板的研究提供了新的研究方法,对装甲防护结构的选取和研究提供了一定思路,同时扩展了物质点法的应用范围。

物质点法的物体断裂细节绘制算法优化

针对物体断裂仿真中因采样不均匀导致的断裂细节不真实问题,提出一种优化基于物质点法的断裂表面细节的方法.首先采用物质点法处理断裂过程中出现的大的拓扑变化,增强碰撞和断裂处理的效率,减少计算量;然后引入弹性与塑性之间的流动规则,解决物体断裂时屈服条件不稳定的问题,增强真实性;最后采用重采样方法处理产生的空洞区域,改进网格的划分方式,从而增加断裂面的细节,有效地体现断裂效果.实验结果表明,与现有的物质点法的物体断裂相比,所提方法在保证帧率、时间步长等相关参数稳定的前提下,填补了断裂空洞,能够在视觉上表现更加丰富的断裂面细节.

基于物质点法的射弹侵彻双层隔板充液结构的数值模拟

在充液结构内设置双层隔板空气夹层可以有效减弱水锤效应带来的危害。为了研究双层隔板间距及位置对水锤效应的影响机理,通过已发表的试验数据对数值模拟方法进行验证后,基于物质点法开展了射弹侵彻双层隔板充液结构的数值模拟,分析了空穴形成过程、射弹剩余速度、固定点液体压力峰值、出入射壁及双隔板壁变形等情况。结果表明:随着双层隔板间距增大,充液结构的变形程度呈先减轻后加重的趋势;双层隔板位置越靠近入射壁,对压力冲击波传导的阻碍作用越强,充液结构的抗侵彻能力越好。