基于DEM-FEM耦合方法的碎屑流对桥墩最大冲击力的影响因素研究

碎屑流是我国山区最危险的地质灾害之一,山区桥墩常受到碎屑流冲击而开裂、倾斜甚至倒塌,给山区桥梁建设、运营带来严重的安全隐患。采用离散元方法(discrete element method,DEM)和有限元方法(finite element method,FEM)耦合的三维数值模拟方法模拟了碎屑流对双柱式桥墩的冲击效应,并结合斜槽试验,验证了耦合方法的准确性,进一步分析了碎屑流冲击坡度、距离和体积密度对桥墩冲击力的影响规律。结果表明,最大冲击力与碎屑流冲击坡度、距离和体积密度分别呈幂函数(指数大于1)、幂函数(指数小于1)和线性正相关。冲击坡度、距离和体积密度对最大冲击力的敏感度值分别为3.012、0.202、0.804,在桥梁碎屑流灾害防治时需重视冲击坡度和体积密度的影响。将冲击力的数值模拟值与流体动力学模型预测值对比分析表明,流体动力学模型理论公式能较好地预测桥墩所受的最大冲击力,最大预测误差低于23.6%。相关研究结果可为山区桥梁碎屑流灾害防治与设计提供一定的参考依据。

基于FEM–DEM的空心稳定杆内壁喷丸仿真分析

目的建立有限元–离散元耦合的喷丸模型,研究喷丸参数对空心稳定杆内壁残余应力场的影响规律。方法基于ABAQUS有限元分析软件和“先整体后局部”的建模方法,建立26MnB5钢空心稳定杆全段和局部FEM–DEM喷丸模型,并对模型进行残余应力验证。通过局部喷丸模型研究弹丸撞击角度、速度、表面覆盖率和喷丸流量对稳定杆第4弯折处内壁残余应力场分布的影响规律。结果残余应力场分布的实验值与仿真值的误差在7%以内,验证了模型的准确性。随着弹丸撞击角度的增大,最大残余应力和残余压应力层深也会随之增大,并在60°后达到饱和;当弹丸速度为80m/s和100m/s且弹丸数量为1∶1时,表面残余应力和最大残余应力分别约为-926 MPa和-1309 MPa;随着弹丸覆盖率的增大,表面残余应力和最大残余应力均增大,但增幅变缓,在覆盖率为200%后基本达到饱和;随着喷丸流量的增大,表面残余应力和最大残余应力先增大后减小,在1.2kg/min时达到最大值,分别约为-649MPa和-1049MPa。结论基于FEM–DEM的空心稳定杆内壁喷丸模型能够很好地预测残余应力场的分布,该研究为空心稳定杆内壁喷丸工艺的数值模拟提供了研究思路和理论支持。

基于DEM-FEM耦合的圆锥破碎机运动特性研究

针对圆锥破碎机工作性能研究认识的不足,构建了圆锥破碎机系统三维模型,采用离散元法(DEM)与有限元法(FEM)耦合技术,利用多面体模拟矿物颗粒,并对破碎过程中破碎腔的受力状态进行运动学仿真。分析结果表明:矿物颗粒在破碎腔破碎过程中,动锥及偏心轴承受较大力,较容易磨损;在不同转速下,动锥转速与矿物颗粒的破碎比和破碎效率呈负相关;同时分析了动锥转速和轧臼壁变形量之间的关系。为圆锥破碎机参数优化提供参考。

FEM/DEM法在典型柱状危岩体破坏过程数值分析中的应用

有限元/离散元耦合分析方法(FEM/DEM法)可计算连续介质的小变形,也可在新生裂缝并在裂隙间开展大变形计算。文章以位于重庆市巫山县长江左岸的箭穿洞柱状危岩体为例,分析了箭穿洞危岩体可能的破坏过程。分析表明:柱状危岩体的基座处于应力集中状态,既有拉应力集中区也有压应力集中区,应力集中造成柱状危岩体的基座附近边界岩体易破坏。应力集中新生了裂隙,裂隙的延展导致了危岩体的解体和最终的破坏。FEM/DEM方法预演了柱状危岩体压致拉裂的裂隙网络形成和破碎岩体运动过程。FEM/DEM对帮助分析大小变形混合的斜坡变形十分有利,是未来数值模拟的发展方向之一。

冲击荷载作用下有碎石保护结构的海底管线DEM-FEM联合分析研究

海上平台落物或抛锚对海底的撞击会对海底管线造成一定的损害。通常的防护措施是在管线的上部铺设碎石层形成碎石保护结构,从而耗散部分冲击能量。为了分析该保护结构的防护性能,运用离散元–有限元联合分析的方法,建立冲击荷载作用下有碎石保护结构的海底管线反应分析方法。在该方法中,离散元用于模拟碎石结构,有限元用于模拟其它的连续体。离散元单元和有限元单元通过在它们之间设置接触面的方式进行相互作用。计算得到的碎石保护结构对冲击能量的吸收结果与挪威海洋工程规范中建议的公式一致,且计算得到的海底管线变形规律与模型试验的结果相符。这些结果验证了该方法在评价碎石保护结构下海底管线安全性能方面的适用性。

基于DEM-FEM耦合的双齿辊破碎机辊齿强度分析

由于双齿辊破碎机入料粒度大、破碎过程短,且破碎机理以拉伸和剪切破坏为主,从而导致在设计时难以确定载荷大小以及载荷分布。对此,本文提出了一种基于离散元(DEM)与有限元(FEM)耦合计算的双齿辊破碎机辊齿强度分析方法,通过施加分布载荷的方法提高了辊齿强度计算的真实性和准确性。分布载荷通过离散元软件EDEM仿真计算得到。本文针对双齿棍破碎机的入料粒度分布,考虑物料强度的尺寸效应,分别对不同粒度的物料进行了单轴压缩试验和巴西圆盘试验,标定物料的抗压和抗拉强度,并最终确定了离散元仿真中的粘结参数。通过分析离散元仿真结果,选取辊齿受力最大时辊齿上的分布载荷,将其加载到在ANSYS环境中对应时刻工作位置的辊齿FEM模型上,进行强度分析。结果表明:最大受力时刻辊齿载荷主要分布在齿背,此时在齿根前部有应力集中。

颗粒驱动软体驱动器设计及FEM-DEM运动分析

颗粒物质具有流动传压和阻塞刚化的双相特性,是变刚度软体机器人的理想驱动介质.由于颗粒物质复杂的力学特性,颗粒驱动软体机器人运动预测极具挑战性.综合考虑颗粒物质的离散性和超弹软体型腔的连续性,本文提出了一种基于FEM-DEM耦合计算的软体驱动器运动分析方法.为降低颗粒充入软体型腔时的局部径向膨胀,设计了具有径向增强约束的弯曲驱动器软体型腔结构.利用FEM-DEM耦合计算方法对此驱动器的运动变形规律进行了分析,同时采用基于颗粒物质Mohr⁃Coulomb连续介质模型的FEM开展了对比计算.利用3D打印和硅胶浇注技术制造驱动器样机,测试了软体驱动器的运动特性及变刚度能力.研究结果表明:与基于Mohr-Coulomb模型的FEM相比,利用FEM-DEM耦合计算方法,可使驱动器弯曲角度的预测精度提高约14.3%;使用较小直径的颗粒介质可以提高机器人的变形能力;与前期研究中的原始方案相比,本文提出的径向增强约束驱动器在不削弱刚度调节能力的前提下,最大弯曲角度从48.9°提升至了72.7°.

基于FEM-DEM耦合法的转载溜槽磨损研究

考虑到颗粒物料在输送时冲击力对转载溜槽的影响,运用离散元与有限元耦合方法对颗粒物料转运过程进行了研究,以期揭示颗粒物料对转载溜槽磨损的影响规律。此研究采用Herz-Mindlin无滑动接触模型和Archard磨损模型进行仿真计算,分析了不同颗粒物料和不同工况条件下转载溜槽的磨损与应力应变的变化情况。结果表明:溜槽所受的磨损和应力应变与皮带输送机带速、溜槽倾斜角及颗粒类型度密切相关,矿石颗粒相对于大豆颗粒对溜槽造成的磨损更为严重;当皮带速度为4.5 m/s时,颗粒对溜槽的冲击力和压力最大,皮带速度的增加导致颗粒之间的碰撞及颗粒对溜槽碰撞的剧烈程度更为复杂,当皮带速度增加0.5 m/s时,转载溜槽的磨损量增加55%、形变量增加40%;溜槽倾斜角度增大会导致颗粒与溜槽的接触面积增加,从而导致切向摩擦力及溜槽磨损面积增加,当溜槽倾角在45°~50°时溜槽的形变量、磨损面积最小。

基于局部单元劈裂的FEM/DEM自适应分析方法

为了模拟岩体中裂纹的萌生、扩展,Munjiza提出了有限元法/离散元法(FEM/DEM)耦合分析方法。因为裂纹是沿单元边界进行扩展的,亦即裂纹扩展具有网格依赖性,为获得较好的裂纹扩展形态,需要划分密集的初始网格。为解决上述难题,基于FEM/DEM耦合分析方法,提出了基于局部单元动态劈裂的FEM/DEM自适应分析方法,以克服裂纹扩展形态对网格的依赖性。该方法在最初建模时无需划分很密的初始网格,随着荷载的施加,对裂纹尖端附近的局部单元进行动态劈裂,为裂纹的后续扩展提供了更多可能的扩展方向,使得裂纹扩展不必沿着初始网格的单元边界扩展,即可以沿着单元内部进行扩展,裂纹扩展形态更为平滑,与实际情况更为接近。同时相对原FEM/DEM耦合分析方法一开始就划分很密的网格而言,新方法可以划分较为稀疏的初始网格,计算成本降低。最后,通过巴西劈裂算例与原FEM/DEM耦合分析方法对比,分析表明,新方法在一定程度上克服了裂纹扩展形态对初始网格的依赖性。

粗粒料多边形表征及二维FEM/DEM分析

考虑到颗粒形状对粗粒料的力学特性有重大影响,提出了一种新的表征颗粒形状的方法,即在椭圆上随机选取一系列点连接成多边形颗粒,表征狭长扁平的颗粒。新方法较圆上取点的方法能代表更多类型的颗粒形状,适用范围更广。提出了一种新的粗粒料投放算法,即先缩小颗粒,然采用随机算法将缩小的颗粒投放至给定区域,对颗粒划分好网格后,将颗粒放大到原来的大小,然后采用有限元-离散元(FEM/DEM)方法计算稳定后即生成了相应的试样。通过将上述颗粒生成及投放算法与FEM/DEM结合,应用于粗粒料的数值模拟。分析表明,FEM/DEM是研究粗粒料力学性质的较好方法,对复杂的颗粒形状也可简单建模,且因在颗粒内部划分了有限元网格,复杂的接触判断及接触力计算转化为标准统一的三角形和三角形之间的接触判断及接触力计算,所有的计算均可标准化、统一化。同时因为颗粒是可以变形的,依然保留了连续介质力学中应力和应变的概念,无须像PFC那样需通过测量圆来间接表示某点的应力、应变。最后,通过粗粒料的侧限压缩试验的数值模拟,展现了文中提出的一整套解决方案在模拟粗粒料方面的巨大潜力。

基于GPU并行的锥体导管架平台结构冰激振动DEM-FEM耦合分析

该文为分析海冰与锥体海洋平台的相互作用,采用离散元(DEM)-有限元(FEM)耦合方法建立冰激海洋平台结构的耦合模型。通过具有粘结-破碎性能的球体离散单元对海冰的漂移及破碎现象进行计算,海洋平台锥体部分采用平板型壳单元构造,其整体构架及锥体内部的加劲肋采用梁单元构造,即建立壳单元与梁单元组合的锥体海洋平台有限元模型。为提高DEM-FEM耦合算法的计算规模和效率,发展了离散单元与平板型壳单元接触算法及GPU并行环境下参数传递算法。基于此耦合模型分别讨论了平台结构的冰载荷、冰激振动以及锥体应力分布,并与相关实测数据进行对比,为寒区锥体海洋平台的结构设计提供有益的参考。

铁路道床有砟-无砟过渡段动力特性的DEM-FEM耦合分析

针对铁路道床有砟-无砟过渡段的结构特点,采用离散元-有限元耦合模型分析散体道砟和无砟道床间过渡段的动力特性。散体道砟道床和无砟道床分别采用离散元方法 DEM和有限元方法 FEM模拟,而在过渡段将道砟颗粒嵌入无砟道床以增加道砟颗粒与无砟道床间的咬合力,并在离散元和有限元耦合区域实现了力学参数的传递。采用以上DEM-FEM耦合方法对有砟-无砟道床及其过渡段在列车荷载作用下的沉降过程进行了数值分析。计算结果表明,离散元方法中道砟颗粒间的力链呈现非对称梯形分布,其与有限元方法中的应力分布趋势一致;采用嵌入式道砟颗粒的方法可以增加有砟-无砟过渡段道砟间的咬合力,有效约束道砟颗粒的位移,减少有砟-无砟道床间的沉降差异。本文计算模型可以合理地分析有砟道床的力链分布以及无砟道床的应力分布,确定列车荷载下道床有砟-无砟过渡段的动力学行为。

锥体导管架海洋平台冰激振动的DEM-FEM耦合分析及高性能算法

在寒区海域,冰荷载是影响海洋平台安全运行的主要环境荷载之一,由其引起的冰激振动给平台结构及其上部设备带来了严重危害。为分析不同冰况下平台的振动响应,本文建立了导管架海洋平台冰激振动的离散元(DEM)-有限元(FEM)耦合模型。采用具有黏接-破碎性能的等粒径球体离散单元对海冰的破碎特性进行模拟,通过由梁单元构建的海洋平台有限元模型获得结构的振动响应。在离散元与有限元的接触区域中实现了两个模型间计算参数的传递。为提高该耦合模型的计算效率和规模,发展了基于动力子结构方法的DEM-FEM耦合模型。为验证该耦合模型的有效性和可行性,将不同冰况下得到的冰荷载与ISO19906和JTS 144-1-2010标准进行了对比。结果表明,计算得到的冰荷载与标准相近,且冰厚与冰荷载呈二次非线性关系。同时,从冰速和冰厚两方面对比了渤海四桩腿JZ20-2MUQ锥体导管架平台冰激振动加速度的数值结果和现场实测数据,发现冰速与振动加速度呈线性关系,冰厚与振动加速度呈二次非线性关系,并且振动加速度与冰速和冰厚平方的乘积呈线性关系。

基于FEM-DEM的粗糙表面喷丸数值模拟与试验研究

考虑试件喷丸前粗糙度的影响,提出了粗糙表面喷丸的有限元与离散元(FEM-DEM)耦合模型。制备喷丸与未喷丸两类45#钢试件,测量了试件喷丸前后表面与亚表面的残余应力。根据测量结果验证耦合模型,研究了喷丸工艺参数对试件亚表面残余应力的影响规律。结果表明,提高表面覆盖率和喷丸强度,均可增大残余压应力峰值,其中,喷丸强度的影响更为显著;相同表面覆盖率和喷丸强度下,小直径弹丸可增大残余压应力峰值,大直径弹丸则有利于增大残余压应力层厚;若喷丸前试件粗糙度过大,可通过提高表面覆盖率来增强喷丸强化效果。研究为粗糙表面喷丸强化工艺优化提供了一定的理论依据。

基于DEM-FEM耦合方法的海上风机结构冰激振动分析

冰载荷是海上风机在寒区安全运行的重要影响因素之一,由其引发的冰激振动给风机结构带来了严重的危害.本文通过离散元(discrete element method, DEM)--有限元(finite element method, FEM)耦合方法建立了寒区单桩式风机结构的冰激振动模型.采用具有粘结-破碎性能的球体离散单元描述平整海冰损伤破坏行为,采用梁单元和三角形平板壳单元构造带有抗冰锥体的单桩式风机有限元模型.采用DEM-FEM耦合方法模拟不同冰速、冰厚条件下单桩式风机与平整冰相互作用过程,并且与IEC规范和ISO标准经验公式对比验证该耦合模型计算冰载荷的准确性.对比风机塔筒顶端和基础顶端的位移和加速度响应时程,定性地给出风机结构不同部位振动响应行为差异性.风机不同部位动力特性差异原因为风机结构独特结构特点:下部为大刚度桩基和上部为高柔度塔筒,使其动力特征表现为主从式结构特性."主-从式结构"特征使得结构在复杂的冰载荷作用下,风机塔筒(子结构)和桩基(主结构)表现为不同的响应行为,风机不同部位振动周期和加速度谱两者出现差异.本文研究成果为海上风机抗冰设计和疲劳分析提供了有益参考.

对月壤静力触探实验FEM-DEM多尺度耦合的模拟研究（英文）

月壤是原位探月工程研究的直接对象,其岩土力学性质极具研究价值。静力触探实验(CPT)是一种能够快速确定月壤岩土力学性质的技术方法。利用近期研发的一种典型耦合理论,成功获得一种耦合有限元(FEM)和离散元(DEM)的静力触探多尺度模型。利用静力触探多尺度模型对不同条件下的月壤静力触探实验进行了模拟研究,定性揭示了静力触探过程中月壤颗粒的流动情况及阻力的发展情况。同时,模拟研究了刺探速度、深度以及锥尖角度和月表低重力对月壤静力触探的影响。

螺旋桨对海冰切削作用的DEM-FEM耦合分析

当船舶在冰区航行时,螺旋桨会与海冰相互碰撞并导致桨叶的变形和损坏,进而影响船舶的航行安全。为研究海冰与螺旋桨的相互作用过程,采用离散元(DEM)—有限元(FEM)耦合方法构建海冰—螺旋桨切削模型。海冰和螺旋桨模型分别采用具有黏结—破碎特性的球体离散单元和8节点六面体有限单元构造。基于该DEM-FEM耦合模型讨论了不同切削深度下,螺旋桨所承受冰载荷的特点和规律;最后,研究了螺旋桨切削海冰过程中进速系数、推力系数、扭矩系数之间的对应关系,并讨论了海冰—螺旋桨相互作用过程中冰压力、Mises应力和变形的分布特点。以上研究可为寒区船舶安全航行和螺旋桨设计提供有益的参考。

Nonconforming stabilized combined finite element method for Reissner-Mindlin plate

Based on combination of two variational principles, a nonconforming stabilized finite element method is presented for the Reissner-Mindlin plates. The method is convergent when the finite element space is energy-compatible. Error estimates are derived. In particular, three finite element spaces are applied in the computation. Numerical results show that the method is insensitive to the mesh distortion and has better performence than the MITC4 and DKQ methods. With properly chosen parameters, high accuracy can be obtained at coarse meshes.

基于CFD-DEM的胡麻风筛式清选装置仿真分析与试验

为阐明胡麻脱粒物料在振动筛上实际的筛分效果,采用CFD-DEM耦合方法,对胡麻脱粒物料在胡麻联合收获机风筛式清选装置中的清选效果进行研究,探究鱼鳞筛开口角度、气流速度、清选筛振动频率以及清选筛振幅对清选效果的影响,并通过统计胡麻籽粒含杂率和清选损失率来衡量不同工作参数下分离清选装置的工作性能。仿真试验结果表明:鱼鳞筛开口角度最优为30°,鱼鳞筛透筛率为79.77%,茎秆透筛率为65.52%,籽粒透筛率为90.01%;振动筛振动幅度最优为15 mm,胡麻籽粒损失率为3.6%,籽粒含杂率为3.4%;振动筛振动频率最优为6 Hz,清选损失率为3.5%,籽粒含杂率为3.4%;风机风速最优为5.5 m·s^(-1),籽粒含杂率为3.2%,清选损失率为3.0%。结合优化工作参数进行大田作业性能验证试验,通过对机收后的收集物料测定试验指标可知,总清选损失率为3.58%,籽粒含杂率为3.16%,大田试验结果与仿真模拟结果基本一致。机收后的胡麻籽粒外形完整,破损现象较少,含杂率与总损失率均达到相关试验标准要求,表明优化后的参数满足胡麻联合收获标准要求。