基于Bekker理论改进遗传算法的野外路径优化方法研究

随着装备智能化的发展,复杂野外环境下车辆的路径规划已成为关键技术之一,为军事力量发展、军事装备智能化提供重要保障。野外环境中有多种影响车辆行驶的因素,如障碍物、路面坑洼和泥泞等,传统城市道路的路径优化算法大多针对既有道路,难以满足在存在多种未知威胁的复杂野外环境下的路径优化要求。同时,目前路径优化算法对于野外复杂的土壤地质条件考虑较少,因此本文基于Bekker地面力学理论,结合改进的遗传算法,提出了一种考虑土壤对车辆行驶影响的改进遗传算法,该方法以路径行驶时间最短为优化目标,建立了适合野外环境的路径优化算法。含障碍物和含多种土壤的野外环境建模和路径优化结果表明:该优化算法建立了地面力学特性与车辆行驶的耦合作用,综合考虑了野外环境下的障碍物、土壤特征和车辆特性等因素,在复杂的野外环境下得到了车辆可以安全、高效和畅通通行的野外路径,为建立地形力学与路径优化算法的联系提供了参考。

基于CDEM-MPM耦合的软地面车辆侵入规律研究

载荷装备通过软土地面会引起了软土地面的变形,车轮侵入软土的深度是软土地面装备通行性评估的重要参数。本文提出了连续-非连续单元法(Continuum-discontinuum Element Method,CDEM)与物质点法(Material Point Meth⁃od,MPM)耦合的数值计算方法,建立了车轮-软土地面耦合模型,模拟了车轮和软土地面相互作用过程,定量分析车轮载重、软土弹性模量、软土强度参数(黏聚力、摩擦角)与软土表面压应力、侵入深度等参数之间的关系,获得车轮侵入软土深度的变化规律。研究表明:软土侵入深度与车轮载重接近线性正相关,相对改变量约为179%;与弹性模量非线性负相关,相对改变量约为23%;与强度参数非线性负相关,相对改变量约为164%。当车轮载重一定时,非线性变化的车轮侵入深度对软土强度参数更敏感。建立强度参数(黏聚力、摩擦角)和侵入深度变化的三维关系,可为软土地面装备通行性评估中现场待测的关键参数提供理论依据。

再悬浮底泥中非吸附性污染物释放的数值模拟

环境水动力学中,湖库底泥中污染物释放是人们研究的主要问题之一.在水动力学条件作用下,污染底泥再悬浮使大量污染物被重新释放出来,造成水体的二次污染.本文基于水槽实验研究提供的大量实测数据,建立上覆水体-底泥-污染物的耦合力学模型.在上覆水体不同流速条件下,数值模拟底泥起动再悬浮过程以及污染物释放过程.分析流场特性和污染物浓度之间的关系,得到速度、颗粒体积分数、污染物浓度、湍动能以及时间等参数之间的定量关系.研究表明,底泥再悬浮污染物释放过程,是由上覆水体-底泥-污染物构成的耦合过程.迅速进入上覆水体的底泥颗粒,影响了上覆水体流动特性,进而影响到污染物的释放.对于非吸附性污染物,底泥起动后复杂的流场特性是底泥再悬浮污染物释放的主要影响因素.当流场特性(如雷诺数)改变时,对流和湍流扩散作用在污染物输运过程贡献不同.建立上覆水体-底泥-污染物的耦合模型,研究水动力学条件与底泥污染物释放规律的定量化关系,可为构建湖库区域水污染模型提供支撑.

基于降雨入渗概化模型的王家台滑坡岩土参数反演分析

中国是滑坡灾害的多发国家,其中降雨是诱发滑坡灾害的主要原因。由于地质体具有非连续、非均匀、流固耦合、未知初始状态等特点,仅依靠有限的钻孔数据无法准确给出滑坡体的渗流参数及岩土力学参数。为了实现降雨入渗作用下滑坡体参数的快速反演,提出了可快速分析降雨入渗诱发滑坡灾害的力学模型。该模型根据降雨量、地表径流量及地下径流量综合确定滑体中的饱和程度,进而根据饱和度来折减或增加滑体的强度。通过将该模型内嵌于连续-非连续单元法(continuum-discontinum element method,CDEM)中,并且结合遗传算法,实现了王家台滑坡岩土参数的反演分析,经过现场监测数据与数值模拟结果的优化对比,给出了适用于降雨入渗概化模型的王家台滑坡当前岩土参数。

一维轴对称杆件爆源模型及其在台阶爆破模拟中的应用

为了解决在实体炮孔建模时需要加密网格、计算量大等问题,提出了一种一维轴对称爆源模型:利用一维线状杆件表述炮孔及炸药,实体单元表述周围岩体,通过杆件节点与实体单元的拓扑关系,将杆件节点上的爆生气体压力施加至周围实体单元上,并根据实体单元的体应变计算出杆件节点处的横截面变化情况,从而实现模拟炸药与周围岩体的相互作用。通过与实体炮孔模型的数值对比分析,发现压力衰减指数为1.25时,一维轴对称爆源模型获得的径向质点峰值振动速度(peak particle velocity,PPV)衰减规律及振动速度时程曲线与实体炮孔模型基本一致,证明了该模型在模拟爆破问题中的精确性。针对混凝土块动态爆破破坏特性的研究,通过与文献对比分析,进一步验证了该模型的正确性。为验证该一维轴对称爆源模型在台阶爆破模拟中的应用,以鞍钢露天铁矿台阶爆破开采为研究对象,建立了5排50炮孔三维台阶爆破概化模型,模拟了爆区内露天边坡的损伤破坏状态。数值计算结果表明,爆区内拉伸破坏为主,并且除了离爆源较近的第一个测点外,其余测点处的振动速度峰值大小及其随距离的变化规律与现场实测数据基本一致,证明了所提爆源模型在三维台阶爆破远场模拟的可行性。

基于BlockDyna的裂隙岩体压水灌浆规律数值模拟研究

采用块体动力学分析系统(Block Dyna)中的渗流模块,对裂隙岩体中的压水灌浆规律进行了数值模拟。采用达西渗流模型描述压水过程,采用宾汉渗流模型描述灌浆过程,分别探讨了裂隙数量、裂隙开度对压水吕荣值及灌浆注入量的影响规律。计算结果表明,随着裂隙数量、裂隙开度的增大,吕荣值及浆液注入量均呈现逐渐增大的趋势。裂隙开度对压水吕荣值的影响是二次方关系,裂隙条数是一次方关系,裂隙开度对压水吕荣值的改变更为敏感。由于裂隙随机性及浆液进入截止开度等因素的影响,使得浆液最终注入量会出现局部反常现象。

基于CDEM的露天边坡爆破开采稳定性数值模拟研究

本文利用连续-非连续单元法(CDEM),采用应变软化模型和朗道爆源模型,对爆破作用下露天边坡的动力响应进行了直接模拟。研究了单孔爆破作用下后方岩体的破坏特征,探讨了爆破距离对边坡稳定性的影响规律。结果表明,爆破作用下后方岩体主要发生拉伸损伤破坏,破坏区域形状为一受控于临空面及爆破平台表面的椭球体,单孔爆破作用下对后方岩体的影响区域为10m ~ 15m。随着爆破距离的减小,边坡表面的振动合速度呈线性增大趋势。

复杂山区特大型地质灾害失稳成灾全过程快速评估系统

我国是世界上地质灾害最严重的国家之一,实现对地质灾害的快速评估预警是进行地质灾害应急抢险的关键。中国科学院力学研究所研发的复杂山区特大型单体地质灾害快速评估软件系统可在25分钟内完成地质灾害模拟,使地质灾害的定量分析评估更加及时准确。

基于连续-非连续元三维煤层气压裂开采分析

基于连续-非连续单元方法,同时考虑单元变形、裂缝开展、块体接触等真实过程,引入应力与裂隙渗流耦合相关算法与模型,分析煤层在多种应力条件下,采用水以及超临界二氧化碳(supercritical carbon dioxide,SC-CO_(2))作为压裂液的不同压裂过程,获得对应的裂缝扩展模式及压裂液使用量,并进一步对裂缝宽度发展与注入流体变化等结果展开分析。结果表明,超临界CO_(2)压裂下煤体裂缝发展较完全,裂缝数量多且形态复杂;煤体的破裂度随地应力的增加先减小后增大。本研究结果可辅助设计人员优化压裂设计,节省成本的同时提高压裂效率,为SC-CO_(2)应用于煤层气开采提供依据。

浅水风生波作用下再悬浮沉积物中磷释放的研究

沉积物-水界面是湖泊的重要界面,与大多数环境和生态问题有关.风生波引起沉积物再悬浮造成水体二次污染.由于水、再悬浮沉积物和磷的耦合机制会影响界面附近磷的释放,因此探索了两种不同吸附解吸能力沉积物的耦合模型,以检查沉积物再悬浮后磷的释放规律.得到了风速、风生波特性、沉积物分布和水体含磷量之间的关系.风生波影响沉积物-水界面附近的局部流场,造成沉积物再悬浮.对于不同的沉积物,单位沉积物解吸释放量与风速呈负相关.中低风速时,沉积物因界面小范围流场变化再悬浮,上覆水中的磷快速增加,且难于扩散。此时,磷的释放表现出小范围集中释放的特点,可能迅速影响水环境,也可能为治理提供了窗口期。