海冰与自升式海洋平台相互作用GPU离散元模拟

在海冰与自升式海洋平台结构的相互作用过程中,冰载荷是影响平台结构振动响应和疲劳寿命的重要因素.采用具有粘接--破碎效应的离散元模型,可对海冰与自升式海洋平台结构作用中的海冰破碎特征及相应冰载荷进行数值分析.针对自升式海洋平台的多桩腿结构特性及其冰载荷离散元分析的大规模计算需求,建立了基于GPU的并行算法并开发了相应的计算程序.为实现离散元分析的高效计算,采用网格排序方法创建单元邻居列表,以快速确定海冰单元间及其与平台结构间的接触模式和作用力.此外,还发展了球体单元与圆柱形结构在不同接触形式下的计算模型.为检验该离散元模型的有效性,对渤海锥体海洋平台结构的作用过程进行了计算,并与现场实测冰力数据进行了对比验证.在此基础上对多桩腿自升式平台结构的冰载荷进行了离散元分析,获得了海冰的破坏特性,确定了不同桩腿上的冰力时程.该模型可进一步应用于不同类型海洋结构的冰载荷分析,为冰区海洋平台的结构设计和现役平台结构的疲劳分析提供参考依据.

风沙影响下铁路道碴变形模量的离散元数值分析

针对风沙区有碴铁路道床的结构特性,对其在细沙贯入下的有效变形模量研究有助于理解风沙影响下的道床动力特性。采用离散单元模型对道碴碎石和细沙颗粒进行数值建模,并对不同含沙率γ下的有效变形模量进行了数值分析。结果表明,在低含沙率下(γ<30%)沙石混合体的变形模量基本保持不变,在高含沙率下(γ>30%),变形模量随含沙率的增加呈线性降低,以上变形模量随含沙量的变化规律与试验结果相一致。基于离散单元模型的数值模拟,在细观尺度上对沙石混合体的力链强度、空间分布及配位数进行了分析,揭示了沙石混合体有效变形模量随含沙量变化的内在机理。本文工作对风沙区有碴铁路道床力学行为的研究具有一定的借鉴意义,有助于促进风沙影响下有碴铁路道床的结构设计和沙害治理。

面向环境力学的离散元分析软件研发和工程应用

离散元计算分析软件对解决环境力学中的离散介质问题有至关重要的作用.针对环境灾害中的非规则颗粒单元,以圆球颗粒为基本单元,分别构造镶嵌组合单元、黏结组合单元、扩展圆盘单元和扩展多面体单元等,并在此基础上开发基于球形颗粒离散元方法的分析软件(Software of Spherical Particle-based Discrete Element Method,SDEM).该软件可模拟碎冰、岩石和道砟等颗粒材料的力学行为,能直观展现这些力学过程的发生、发展和演化;基于GPU的并行计算实现离散元大规模计算的高效性.对SDEM软件在地质灾害、工程海冰和铁路道床等领域的应用进行介绍.

海冰与海洋平台碰撞分析中的可视化方法

针对基于离散元方法的海冰与海洋平台结构碰撞分析系统,对运行于CPU-GPU异构高性能计算平台上的大规模粒子模拟进行可视化方法的研究.使用Open GL完成不同规模的平整冰、浮冰、冰脊和不规则形态海冰的呈现,不同形状海洋平台结构与受力网格的绘制,海冰粒子的运动轨迹与速度的表达,海浪效果的模拟以及碰撞过程的动画演示等.通过定义合理的交互模式与接口,在一定程度上融合GPU加速的离散元计算与后处理显示,基于多进程管道通信、多线程并行输出等实现在GPU加速计算的同时实时显示粒子模拟计算结果.该方法在帮助研究者随时掌握程序执行状况的同时,大幅减少后续传输、处理和存储的数据.

多桩锥体海洋平台结构冰荷载遮蔽效应离散元分析

在海冰与多桩锥体海洋平台结构的相互作用中,平台结构总冰力在海冰流向和桩腿方位的影响下呈现出显著的遮蔽效应。采用具有粘结-破碎效应的离散元方法,基于GPU并行的高性能计算,对不同冰向下锥体海洋平台结构的冰荷载进行了数值分析,确定了不同冰向下平台结构各桩腿的冰力衰减系数并分析了总冰力的遮蔽效应。最后,对自由边界影响下多桩平台结构冰荷载遮蔽效应的产生机理进行了讨论。本文工作可为多桩腿平台结构的冰荷载特性、冰激结构振动以及冰区结构设计提供参考。

破冰船冰区操纵性能离散元分析

针对浮冰区与平整冰区中航行船舶冰阻力与操纵性的预报问题,采用冰-水-船相互作用数值模型对"雪龙"船在浮冰区与平整冰区中的回转运动特性进行了数值分析。在数值模型中,采用具有黏结破碎特征的球形离散元模型来模拟冰盖的破坏过程,采用球体-三角形接触模型来模拟船-冰之间的碰撞过程,建立了考虑船舶桨力、舵力及水动力的六自由度操纵运动方程。在此基础上对船舶在不同厚度(1.2 m^1.7 m)、不同密集度(40%,60%,80%)浮冰区与不同厚度(0.8 m^1.2 m)平整冰区行进时的破冰阻力及回转特性进行了数值模拟。模拟结果表明:在相同厚度的浮冰区航行时冰阻力小于平整冰区航行的阻力值;浮冰区中回转圈直径约为敞水中回转直径的1倍~2倍;平整冰中回转直径约为敞水中回转直径的2倍~6倍。

船舶在平整冰区行进过程的离散元分析

船舶在冰区航行中,冰荷载是船舶结构设计和安全航行的重要影响因素。采用具有黏结破碎特征的离散单元法对船舶在平整冰区的航行过程进行了数值分析。在船舶破冰过程的离散元模拟中,平整冰由球形颗粒黏结而成,同时考虑了海水浮力和拖曳力对海冰单元的作用,颗粒间的黏结作用可在海冰与船体的相互作用过程中发生破碎;船体由三角形单元构造,分析了在海水浮力、推进器推力及海冰共同作用下船体的六自由度运动特性。通过船体与海冰相互作用的离散元分析,确定了船舶在破冰过程中海冰作用在船体上的冰荷载,探讨了船舶推进器推力和海冰厚度对冰荷载的影响,并与Lindqvist船体冰阻力经验公式进行了对比。

冰级船主机功率理论预报方法研究

强非线性冰载荷对极地航行商船的阻力和主机功率计算均提出巨大挑战。以往计算冰级船主机功率时,通常采用规范法的经验公式。尽管经验公式计算简便,但由于没有考虑航速变化对主机功率的影响,计算结果往往过于保守。本文基于离散元的理论方法和数值模型,采用阻力-速度曲线法建立了冰区加强型商船主机功率计算方法。借鉴中国商船“永盛轮”首航北极的实际航行经验,将预报方法应用于B1冰级的36000 t冰级多用途船的主机功率计算中。计算结果表明,该方法计算获得的主机功率较规范法小。该预报方法将为我国极地商船设计与制造提供技术支撑。

对船舶与海洋工程流体力学教学方法的几点探讨

针对船舶与海洋工程流体力学课程的教学特点,结合船舶与海洋工程“新工科”建设特色,从激发学生兴趣、帮助学生理解、理论联系实际和发挥学生主观能动性等方面,提出船舶与海洋工程流体力学教学方法改革的举措,旨在为相关人员提供一定参考。

基于深度强化学习算法的颗粒材料应力-应变关系数据驱动模拟研究

颗粒材料的宏观力学行为受颗粒组分等材料参数,孔隙率、配位数等状态参数的影响,同时又具备复杂的加载路径和加载历史相关性,建立包含多个内变量以及各变量间相互关联的颗粒材料本构模型是一个重要的科学难题.不同于传统的基于屈服面、流动法则和硬化函数框架下的唯象本构模型,本文基于颗粒物质力学的研究基础,以颗粒材料平均孔隙率、细观组构参数和弹性刚度参数作为内变量,结合深度学习方法建立以有向图表征的数据本构模型.有向图中以不同的链接网络表示不同的内变量信息流动方向,各个内变量间的映射关系采用循环神经网络来建立,将各个神经网络相互组合,形成包含不同内变量且具有不同预测能力的本构模型.该本构模型的建立过程等价于在众多可能的内变量链接关系空间中寻找最能描述实际材料宏观应力应变行为的优化问题.因此,可将有向图本构模型的建立过程看作"马尔可夫决策过程",采用深度强化学习算法构建有向图的内变量链接组合优化过程,具体采用AlphaGo Zero算法自动寻找最优的颗粒材料数据驱动本构模型建模路径.研究结果表明,采用有向图和深度强化学习算法可建立起完全依靠"数据驱动"的颗粒材料应力-应变关系.此外,本方法提供了一种将不同理论模型从数据角度统一起来,且基于人工智能算法发展更优模型的研究思路,可为相似问题的研究提供借鉴.

基于深度学习和细观力学的颗粒材料本构关系研究

颗粒材料的本构关系对岩土工程等众多领域至关重要.不同于传统的唯象本构理论,本文基于机器学习模型探索了一种细观力学理论指导下的数据驱动型颗粒材料本构关系预测方法.根据Vogit均质化假设,建立了小应变条件下颗粒材料应力−应变解析关系,此关系唯一地确定了一组与颗粒材料本构行为相关的细观组构变量.这些变量与反应颗粒材料宏观性质的主应力和主应变信息通过一系列离散元三轴压缩数值试验获得.考虑到细观组构变量为内变量,不能直接作为本构模型的输入.本文基于有向图方法将颗粒材料微观结构信息隐式地包含在应力−应变的预测当中,并采用门控循环单元(GRU)循环神经网络作为基础深度学习模型描述有向图中结点之间的映射关系.通过将有向图从目标节点沿源节点展开,整个应力−应变预测模型可由两个神经网络分别训练并组装而成.将训练后的深度学习模型在全新的数据集上进行测试,结果表明该训练策略能有效捕捉到颗粒材料在常规三轴任意加卸载,等中主应力系数b的真三轴加载,和等平均有效应力p的真三轴加卸载等复杂多轴加载工况下的应力−应变响应关系,模型具有良好的内插和外推预测能力.考虑到深度学习模型捕捉颗粒材料力学响应的能力及其开放式学习的特点,充分结合数据驱动方法和理论本构模型可能是颗粒材料本构研究的一个重要方向.

船-冰作用中海冰典型破坏模式的离散元数值模拟

在破冰船破冰过程中,冰排主要表现为挤压与弯曲两种破坏模式。本文基于黏结离散单元法对船-冰作用中的这两种典型破坏模式进行数值模拟。海冰离散元数值试样采用随机排布方式生成,采用单轴压缩试验与三点弯曲试验相结合的方式标定模型中的细观参数。将船-冰碰撞中的挤压和弯曲作用方式简化为直立或倾斜平板与海冰的作用模式,构建挤压与弯曲破坏的海冰离散元数值试样,分析了挤压破坏模式中不同加载方位以及冰厚和加载速率对破坏模式的影响,以及弯曲破坏模式中不同冰排夹角以及冰厚和加载速率对破坏模式的影响。计算结果表明,离散元海冰数值模型可以很好地对冰排挤压与弯曲破坏现象进行模拟,可揭示冰排在不同破坏模式下的破坏机理。

海冰与直立结构相互作用的离散单元数值模拟

在冰区油气开发中,海冰会导致海洋结构的强烈振动,并对结构累积疲劳损伤、上部油气管线和设备,以及操作人员健康构成很大的威胁。在海冰与直立海洋结构的相互作用中,冰荷载的幅值和频率一直是海冰工程研究的重要内容。该文针对海冰与直立海洋结构作用中的破碎过程,建立了海冰的离散单元模型。它将海冰离散为若干个规则排列且具有粘接-破碎功能的颗粒单元,并通过海冰单轴压缩试验对单元间的粘接强度进行确定;在此基础上对直立海洋平台结构的作用过程进行了数值计算,获得了不同桩径下的冰荷载和结构冰振响应,为冰区平台结构设计和现役海洋结构的疲劳寿命评估提供了参考依据。