基于光滑粒子流方法的双向聚能张拉爆破数值模拟

为了研究聚能角度对双向聚能张拉爆破的影响,首先,从双向聚能张拉爆破的原理出发,分析其断裂力学机理;其次,引入Johnson-Holmquist本构模型探究岩石的动力损伤特征;第三,运用光滑粒子流方法对双向聚能张拉爆破过程进行数值计算,再现60°,90°和150°聚能角度下的聚能爆破裂纹扩展过程,获得对应聚能角度下岩石损伤发展、粒子分布、应力分布及裂纹扩展的规律;最后,通过现场爆破试验验证其可行性和实用性。研究结果表明:在上述3种聚能角度下,双向聚能张拉爆破均能实现聚能方向上定向裂纹的形成和贯通,虽然存在次生裂纹,但是并不影响定向裂纹的形成和发展;聚能角度越小,聚能方向裂纹扩展的偏移角度越大,即双向聚能张拉爆破的定向预裂精度越差;在定向开裂过程中,炸药粒子以“气楔”作用的形式促进了裂纹在宽度和长度上的扩展。现场爆破试验结果证明了双向聚能张拉爆破具有优良的定向预裂效果。

基于光滑粒子流方法的全断面岩石掘进机盘形滚刀侧向力研究

侧向力对全断面岩石掘进机(TBM)盘形滚刀和刀盘设计具有重要影响。根据盘形滚刀空间运动规律,利用D-H矩阵法分析滚刀侧向受力的运动学原因,基于岩石断裂力学理论,采用光滑粒子流(SPH)方法和有限元方法混合建模,模拟盘形滚刀动态破岩过程,得到滚刀侧向力。利用试验和美国科罗拉多矿业学院的预测模型(CSM),验证数值模型的准确性和可行性。通过仿真得到不同刀位安装半径的侧向力分布规律,进而分析了刀间距及滚刀加载次序对侧向力的影响。结果表明:内侧滚刀先行破岩时侧向受力较小,可为TBM滚刀设计、刀盘优化布局和实际施工提供理论参考。

有限粒子法计算精度的敏感性分析

有限粒子法(FPM)是一种特殊格式的无网格SPH方法,可在计算流体力学领域中应用。无网格方法的计算精度和稳定性通常会受到核函数形式及光滑长度的影响。一方面,选取常用的高斯型、二次和三次B样条核函数,针对FPM方法再生k阶多项式的数值算例对核函数形式的敏感性进行了分析。另一方面,设置不同的光滑长度,对传统SPH方法和FPM方法计算精度随光滑长度变化的敏感性进行了对比分析。数值结果表明,FPM方法对核函数形式和光滑长度的敏感性较低,在工程应用中具有更广的适用范围和较强的鲁棒性。

水射流辅助刀具切割岩石数值模拟研究

针对当前有限元方法(FEM)和离散元方法(DEM)模拟岩石的缺点,基于光滑粒子流方法(SPH)模拟岩石,利用SPH-FEM耦合法建立了水射流辅助刀具切割岩石动力学模型,对比了水射流与无水射流情况下的刀具切割岩石的破损坑形成、裂纹萌生、切割阻力及岩石内能。研究结果表明,水射流作用下的岩石破碎坑能够诱导裂纹的萌生与演化,裂纹与射流形成的破碎坑贯穿,形成的裂纹较长,同时也降低刀具的切割阻力,减少岩石内能。

钙质砂场地爆炸成坑实验与数值模拟研究

为了建立钙质砂场地爆炸成坑效应的计算方法,首先在开挖出的钙质砂模型场地开展了不同当量、不同埋深的野外爆炸实验,然后基于有限元与光滑粒子流耦合算法建立了适用于钙质砂爆炸成坑计算的数值模型,并分析了炸药形状和土体参数对爆坑形态的影响,最后建立了适用于钙质砂场地中的爆坑计算公式。结果表明:埋置爆下,钙质砂场地爆坑尺寸大于硅质砂土中的爆坑尺寸;光滑粒子流算法能较好地揭示钙质砂场地中爆坑轮廓的形成机理;炸药形状和土体密实度等参数对于钙质砂爆坑形态具有不同程度的影响,拟合得到的钙质砂场地接触爆和埋置爆抛掷型爆坑尺寸计算公式,可较好地预测不同爆炸当量作用下的爆炸成坑尺寸。

高压水射流冲击破岩损伤场分析

以Johnson-Holmquist modelⅡ(JH-2)脆性材料本构模型来表征岩石的力学特性,利用光滑粒子流(SPH)和有限元(FEA)耦合算法建立高压水射流冲击破岩过程的数值模型,很好地模拟水射流损伤破岩过程中岩石失效、裂纹扩展以及不同位置岩石单元的损伤程度随时间变化的过程。此外,模拟分析射流冲击速度、入射角以及平移速度对岩石损伤场的影响。研究结果表明:岩石的损伤破坏、裂纹扩展是剪切和拉伸共同作用引起的,且近射流冲击点的损伤破坏由剪切作用主导,而放射性裂纹和层状裂纹的扩展主要由拉伸作用主导;岩石单元的损伤值随时间呈阶跃性变化,且射流冲击损伤破岩过程为微秒量级;射流冲击损伤破岩的入射角存在一个有效范围,当入射角大于70o时损伤破岩效果较好;射流冲击速度较低时以表面冲蚀岩石为主,射流冲击速度达到一定值才能使岩石损伤破坏,出现放射性裂纹和层状裂纹;射流平移速度与冲击速度相比很小,对岩石的损伤场影响不明显。

基于状态空间预计算的软组织实时形变模型

为提高混合软组织实时形变模型(HSTDM)的计算效率,提出一种基于状态空间预计算的混合软组织实时形变模型。利用HSTDM模型,通过离线预计算方式得到离散形变状态空间的精确数据,在实时交互时采用光滑粒子流插值函数计算力反馈和形变节点的偏移值。仿真结果表明,该模型能够描述软组织线性、非线性和各向异性材料特性,并在视觉和触觉上分别达到60 Hz和500 Hz以上的刷新率。

水射流冲埋砂质海床土体数值模拟

基于SPH-FEM耦合算法,利用ANSYS/LS-DYNA软件建立水射流与海床土体的2D模型,研究水射流冲埋砂质海床土体的过程,分析冲埋过程中的应力波特性及喷射压力和砂质海床土体物理力学指标对冲埋速率的影响规律。结果表明:应力波在海床土体内部沿水射流中心线方向形成,且在扩散过程中能量不断耗散,应力最大值在水射流中心线与海床土体表面接触点处。喷射压力越大,冲埋速率越快,同一时刻的冲埋深度随喷射压力的增大呈线性增长;对于具有相同密实度的砂质海床土体,冲埋速率随剪切模量的增大而降低,且水射流速度越大,剪切模量的影响越显著;对于细砂类砂质海床土体,冲埋速率随内聚力和内摩擦角的增大呈线性下降的趋势;土体孔隙率对冲埋速率的影响较小;经与相关参考文献中提供的侵蚀深度对比,证明数值模型的准确性。通过对数值模拟结果进行拟合,得到冲埋深度与时间的关系式,可作为不同海床土体条件下选择合适喷射压力的参考。

TBM盘形滚刀破岩接触区受力分布

根据全断面岩石隧道掘进机(TBM)盘形滚刀破岩的特点,采用光滑粒子流(SPH)方法和有限元方法混合建模,对TBM常截面(CCS)盘形滚刀破岩过程进行三维数值试验研究.得到了不同贯入度情况下滚刀破岩时受到的正压力、滚动力及其分布规律,并利用CSM模型对试验结果进行了验证.最后得到了盘形滚刀破岩接触区内压力的分布规律,为TBM盘形滚刀的设计及应用提供参考.

火箭橇水刹车高速冲击入水安全性分析

为对其结构安全性进行分析,采用拉格朗日-光滑粒子流(SPH)方法建立了火箭橇水刹车高速入水的冲击动力学有限元模型。计算了水刹车正常入水、阻力管堵塞及倾斜入水时不同吃水深度的结构冲击应力,获得了水刹车结构安全性结果。分析表明:结构钢水刹车在翼刀及阻力管同时入水及阻力管完全堵塞入水时出现塑性变形或破坏,水刹车甚至失去制动能力,建议使用水刹车时采用分阶段入水方式,同时进一步加强结构强度。

一种改进的光滑粒子动力学法在地震条件下岩质边坡中的验证与应用

开发一种改进损伤框架的粒子流算法,被称为核断裂的光滑粒子流法(kernel⁃broken smoothed particle hydrodynamics,KBSPH),用于模拟地震条件下岩质边坡的裂纹扩展和变形破坏过程.在KBSPH中,提出一种改进的损伤框架,通过引入断裂标志来改进损伤粒子的核函数,使损伤粒子的虚拟应力键直接断裂,裂纹在断裂的应力键间生成,从而模拟岩石的裂纹扩展过程.在地震边界上采用了双层边界,将动力输入边界与黏滞边界分离.首先通过薄板振动实验验证KBSPH的动力特性.其次以单裂隙岩体单轴压缩试验验证KBSPH的断裂力学特性.最后模拟地震条件下多节理岩质边坡中裂纹扩展过程和动力响应.薄板振动实验验证了KBSPH的动力特性的准确性.单裂隙岩体单轴压缩试验,证明了KBSPH可以正确模拟预制裂隙尖端的翼型裂纹.通过对比以往数值模拟方法和现场案例,表明KBSPH正确揭示了加速度放大效应以及地震条件下岩质边坡的裂纹扩展过程.KBSPH避免了传统算法的网格畸变,损伤粒子应力分量重新分配的问题,降低了编程难度,提高了运行速率,可为SPH在地震条件下岩石力学中的应用和理解岩石断裂机理提供一定的参考.

砂质海床条件下海底电缆埋深研究

[目的]为了得到海底电缆在砂质海床条件下的安全埋深,确保海底电缆免受船锚威胁,给出了海砂海床条件下的船锚的安全埋深的建议。[方法]为了建议验证埋深的合理和安全性,依托于海南联网一回工程,通过对船锚在典型砂质海床中的拖锚全过程进行数值仿真,建立了典型霍尔锚部件的三维有限元模型,同时建立了基于有限元-光滑粒子流(FEM-SPH)的三维砂质海床土体数值模型。对拖锚全过程进行模拟,得到不同船锚在砂质海床中的拖拽曲线,并分析船锚质量以及砂质海床土体本构参数等因素对船锚贯入深度、船锚拖拽力的影响。[结果]仿真结果表明:不同土质的砂质海床条件下海缆埋深不宜小于0.35 m。[结论]利用研究成果,能为砂质海床条件下的海底电缆保护设计工作提供了理论依据和技术支撑,能够对砂质海床条件下海底电缆的埋设深度进行优化。

滑坡涌浪流–固耦合分析方法与应用

滑坡涌浪是自然界中广泛存在的一类复杂的流–固耦合问题。针对现有滑坡涌浪数值计算分析方法中的不足,立足于滑坡涌浪动力学过程及物理机制,充分利用不同数值计算方法的特点,采用离散元方法(DEM)模拟滑坡体大变形、不连续问题,采用光滑粒子流方法(SPH)模拟水体的流体动力学特性,构建SPH-DEM流固耦合算法。开发面向GPU并行加速的计算分析程序(Co DEM),实现SPH-DEM耦合过程的大规模高性能计算分析。运用所开发的程序,对Fahad开展的散体滑坡涌浪模型试验进行同工况下的数值试验,验证程序在模拟滑坡涌浪流–固耦合问题的可靠性。在SPH-DEM耦合分析时,SPH粒子间距与DEM粒径的比值将影响着耦合精度及计算规模;一般地该值小于1/6时,除了对于滑坡入水点附近的涌浪模拟精确性有一定的影响外,对涌浪在远场(距离入水点超过1个波长)影响较小。以1963年意大利Vajont库区滑坡涌浪灾害为例,基于重构的滑坡体及库区的精细化三维数值计算模型,成功再现了从"滑坡运动→涌浪形成、传播→冲击大坝、漫顶"灾害链全过程。在此基础上,分别从滑坡体最终堆积形态(相似度在90%以上)、漫顶最大洪峰流量(约为350×103 m3/s)及对坝体的最大作用力(约为3.9×1010 N)等方面与已有的研究成果进行对比和分析,均表明所研究成果与已有成果吻合较好。研究表明,SPH-DEM耦合方法可以较好地实现滑坡涌浪灾害动力学过程分析,所开发的CoDEM可以为库区及近水岸滑坡防灾减灾提供高效的技术支持。