三维可变形圆化多面体离散单元法

为真实模拟岩体的变形特性与运动形态,将圆化多面体离散元法与有限单元法结合,提出一种三维可变形圆化多面体离散单元法。该方法既能真实表征块体的不规则特征,又降低了接触判断的难度,同时能准确反映块体的变形特性。在求解切向接触力时,将接触判断对象从接触对简化为单元整体,显著提高了计算效率。为分析块体变形特性,在块体离散单元内部划分有限元网格,将最外层有限元网格作为最小接触单元。采用直接平均法,将接触力转化为等效节点力,并采用非线性有限单元法实现对单元变形特性的精确模拟,克服了圆化多面体无法反映单元变形的缺陷。通过5个算例论证了新方法在捕捉单元变形、运动形态以及其力学特征等方面的准确性和高效性。

破裂过程模拟的可变形圆化多边形离散单元法

为研究工程中岩体内部裂纹的萌生、拓展和贯通机制,模拟其破裂时接触碰撞的全过程,提出可变形圆化多边形离散单元法。该方法将有限单元法与圆化多边形离散单元法进行耦合,采用圆化多边形离散单元法计算非连续岩体间的相互接触作用,连续体内部的应力应变状态则通过有限单元法进行分析。为准确模拟裂纹演化过程,在有限单元间插入节理单元,采用虚拟裂缝模型和具有拉伸截断的摩尔-库仑准则描述节理单元在拉伸、剪切等不同破坏模式下的力学状态。最后模拟巴西圆盘开裂、单切口弯梁开裂及块体冲击破坏试验。研究结果表明:所提出方法能准确模拟岩体从连续体变化为非连续体的破裂过程。

基于计算流体力学-离散单元法的U形管冲蚀磨损数值模拟研究

采用计算流体力学-离散单元法(CFD-DEM)和切向撞击能模型(SIEM)来研究气固两相流中高速煤粉颗粒冲击导致的U形弯管冲蚀磨损问题。分析了颗粒粒径、气体流速、固体颗粒形状对其冲蚀磨损特性的影响,并验证粗粒化模型应用于此磨损过程的准确性。结果表明,U形弯头的冲蚀磨损位置主要有3处;磨损率随粒径的增大呈现整体减小的趋势;U形管拱背磨损率随气速的增加而增大,且前2处磨损率峰值位置随气速的增加向入口方向偏移;长椭球对U形管造成的磨损最严重,扁椭球次之,球形最轻;粗粒化CFD-DEM能够基本准确预测U形管冲蚀磨损,且显著降低计算时间。

基于扩展多面体组合单元的非规则颗粒材料离散元方法

非规则颗粒材料广泛地存在于自然界和工业生产中,其复杂的几何形态对力学性质有显著的影响.为构建更接近真实颗粒形态的理论模型,以扩展多面体为基本单元,发展了扩展多面体组合单元.为验证扩展多面体组合单元的可靠性,分别对凸形三棱柱单元、凹形正倒锥体单元在平底漏斗中的卸料过程进行了离散元模拟,并与试验结果进行比较分析,得到其具有较好的一致性.在此基础上,对不同形态的组合单元进行堆积和卸料离散元模拟,研究了颗粒形状对堆积分数、卸料流量和休止角的影响.结果表明,颗粒形状越复杂,颗粒之间的互锁效应越显著,颗粒系统更加稳定.扩展多面体组合单元的有效应用,为离散元数值模拟描述任意形态颗粒材料提供了一种新的构建方法.

可变形圆化多边形离散单元法

将基于圆化多边形离散单元法与有限元方法结合,提出一种可变形圆化多边形离散单元法。此法对块体离散元进行圆化处理,可较好地表征不规则块体外形,又保留了颗粒离散元计算高效的优势。在求解接触力时,消除了角点处法向奇异等问题,同时增强计算的稳定性和简化接触判断。同时对切向接触力计算模型进行修正,使得接触力计算效率得到提高。此法突破了圆化多边形刚体假设的限制,可以精确计算任意形状不规则离散单元之间的相互作用,对单元的运动和变形进行模拟。通过超静定梁冲击试验、不规则块体单轴压缩试验和料斗流动“卡阻”试验3个数值模拟算例,论证此法可以有效地捕捉单元的碰撞、分离和变形等空间运动和自身特性以及其细观力学表征。

基于活性炭颗粒的圆振动筛主要技术参数优化分析

为验证圆运动振动筛在对活性炭颗粒筛分时,振动筛各运动参数对筛分效率的影响,采用平均筛分效率来代表活性炭筛分效果。采用Box-Behnken响应面分析来研究圆运动振动筛的振动幅度、运动倾角以及振动频率对筛分效果的影响并进行仿真模拟,探讨3个因素之间对活性炭筛分的影响作用。验证结果表明:对筛分效果影响最大的是振动频率,影响最弱的是运动倾角,振动幅度和运动倾角之间具有显著影响作用,在振动幅度为4.21 mm、运动倾角16.07°以及振动频率13.83 Hz时筛分效果达到最大值40.86%。通过该方法优化的圆振动筛,可提高活性炭的筛分效率。

基于三维离散单元法的大直径浅圆仓偏心卸料研究

为探讨大直径浅圆仓内粒状物料对仓壁的动态作用机理,采用三维离散单元法模拟了筒仓偏心卸料的全过程。不同尺寸的球形颗粒用于模拟仓内粒状物料,墙单元用于模拟筒仓仓壁。颗粒速度场和颗粒流动过程表明卸料通道自卸料孔向上方延伸呈漏斗状,与模拟实验结果相一致。随着偏心卸料的进行,仓壁静态侧压力不断减小,仓壁动态侧压力峰值出现在卸料的初始阶段,筒仓上部的超压现象比下部更为明显。靠近卸料孔一侧墙体更容易出现超压现象,最大超压系数为1.63,远离卸料孔一侧的仓壁在卸料阶段几乎不出现动态作用。

基于离散单元法和物理引擎的结构连续倒塌可视化模拟

目前强离散性、大位移、大变形的倒塌全过程求解是结构计算分析的瓶颈,而离散单元法以理论力学为基础,基于刚体运动学和动力学方程,可有效实现结构全过程倒塌可视化模拟。运用Blender平台实现建筑结构的三维可视化建模及倒塌场景的可视化渲染;BCB(Bullet Constraints Builder)完成结构梁板柱构件的离散及刚体间约束的建立;物理引擎计算刚体间碰撞过程并"实时"更新刚体运动轨迹,三者协同作用实现倒塌全过程可视化模拟。模拟结果表明:所用方法适用于结构大变形模拟,可实现结构从弹性、弹塑性直至倒塌破坏的全过程可视化模拟,后续研究可为结构连续倒塌破坏机理的分析及人员逃生路径和搜救人员营救路线的选择提供科学指导。

不连续散粒体的离散单元法

建立了球体元三维离散单元法的单元接触模型。该模型把两个球体空间接触时的相互作用简化为四个弹簧阻尼器和三个滑动摩擦器。根据赫兹接触理论和非完全弹性碰撞理论，合理地确定了各接触参数。文中详细讨论了接触球体间相互作用力的分析计算方法和球体间产生接触的判断及检索方法，给出了球体元三维离散单元法的原理、算法和数据结构，并编制了相应的程序。利用该程序对球体自重下落和颗粒阻尼减振器分别进行了仿真计算，理论结果和实验结果有较好的一致性，验证了本文方法和程序的正确性。

考虑消落带岩体劣化影响的典型危岩岸坡稳定性研究

三峡库区周期性水位升降引起的消落带岩体劣化对典型危岩岸坡稳定性具有重大影响。基于野外调研及地勘资料,采用通用离散单元法程序(universal distinct element code,简称UDEC)研究了消落带劣化区形态对近水平层状高陡危岩岸坡的稳定性影响。研究表明:目前三峡库区巫山段的近水平层状危岩岸坡消落带岩体劣化严重,在不同消落带劣化区存在紧密层状、松散碎裂状、溶蚀凹腔状、含挤压碎裂带等典型消落带劣化区形态;含有第1种消落带劣化区形态的危岩岸坡稳定性较好,危岩体位移较小,失稳模式为滑移破坏;含有第2种消落带劣化区形态的危岩岸坡危岩体先向坡内偏移,其后随着消落带岩体支撑强度弱化向坡外倾倒破坏;含有第3种消落带劣化区形态的危岩岸坡危岩体向坡外位移较大,失稳模式为倾倒破坏;含有第4种消落带劣化区形态的危岩岸坡稳定性主要受挤压破碎带的力学性质控制,易产生沿破碎带切割面的旋转滑移破坏;通过对以上4种劣化区形态的危岩岸坡增加防治加固措施,危岩体的变形位移得到了不同程度的有效控制。

偏心摆振下圆簸箕中谷物分离的离散元模拟研究

为了揭示稻米和茎秆在圆簸箕中的分层机理,探究一种高效可靠的谷物振动分层方式,运用离散单元法,分析了水平偏心摆振下稻米-茎秆混合颗粒体系分离行为的细观机理,且对比圆簸箕在偏心及正心摆振下的谷物颗粒分离效果。结果表明:稻米和茎秆出现明显的斜坡状分层,茎秆堆积在稻米上方,同时稻米向容器远心端横向堆积;动能和运动趋势的差异是稻米和茎秆分离行为的主要原因,同时涡流卷流态的出现提升了分层效率。对比偏心摆振与正心摆振两种分离方法发现:容器几何中心的运动轨迹和颗粒的流态发生了明显变化,偏心摆振过程中轴心附近区域的茎秆发生横向迁移,所在区域的动能水平逐渐升高,解决了正心摆振轴心区域能量较低导致茎秆无法上升的问题。通过对谷物分离行为及新型振动方式的研究,可为农业颗粒分离工艺及设备发展提供新的思路。

三维距离势离散单元法

通过定义距离势函数,提出一种适用于空间任意凸多面体单元的三维距离势函数离散单元法。该方法采用归一化的计算方式,将势函数表征为接触体间的距离函数,并基于此建立接触力计算方程,明确了势函数的物理意义,使接触力计算更加合理,无需对各种可能的接触形式进行差异化处理。新方法克服了原有势函数物理意义不明、接触力计算受单元形式影响等重要缺陷,并突破了四面体单元的限制,可采用空间任意凸多面体单元。通过若干算例说明新方法的正确性和有效性。数值模拟结果表明新方法能够很好处理空间任意多面体单元复杂接触变换过程,准确处理复杂非连续介质的运动过程。

往复荷载下铁路道砟沉降特性的扩展多面体离散元分析

基于Minkowski Sum方法,采用扩展多面体单元构造非规则的道砟颗粒,对道砟材料在往复荷载作用下的动力特性进行离散元分析,研究其沉降量和形变刚度的演变过程。结果表明,在往复荷载作用下道砟材料的累计沉降量在变形初期增加显著,随着往复荷载次数的增加趋于稳定,其有效刚度在累计变形过程中不断增大并最终趋于平稳。本文研究表明,扩展多面体单元可有效模拟道砟材料的力学行为,研究其在列车往复荷载下的动力特性。

区域离散化计算程序中结点数据的动态存取技术

在有限元法和边界元法的区域离散化计算程序中运用了基于ANSI/ISOC++标准模板库(STL)的面向对象技术,以向量模板类的特化继承对象为变容量数据容器,实现了可按计算实例的离散结点数量动态存取数据的机制和数据容器的零容量启动,从而避免了运算时系统对静态内存空间的超量占用.

符拉索夫地基上筏基分析的样条无单元法

将样条无单元法应用于筏基中 ,建立按厚板分析筏基的计算格式 ,考虑筏板与符拉索夫地基的相互作用 ,编制相应的计算程序 ,并给出了算例。利用样条无单元法分析筏基 ,不仅计算简便 ,精度高 ,而且未知量的数目很少。

有限单元法在边坡稳定性分析中的应用

本文对有限单元法进行了简要的介绍,并利用有限单元法对某边坡进行稳定性分析,通过对分析成果的整理和研究得出了边坡的稳定性结论,该结论与极限平衡法的分析成果对比表明分析取得了满意的效果。

对称形式的十三参梯形板元的离散方法

基于对所构造单元应具有对称性的考虑 ,利用构造单元的双参数方法 ,在已构造的十三参梯形板元的基础上 ,对中心点函数值用单元顶点节点参数的离散 。

基于离散元法的颗粒高速压制模拟及动态力学分析

采用三维离散单元法对高速压制条件下铝粉颗粒的动态响应进行了数值模拟,并与实验结果进行对比分析。结果表明,数值模拟与实验所测得的结果基本相同;在高速压制过程中,粉体的扰动呈不规则的弧形分布;在压制初期,会出现整体受力不均匀的现象,随着压制的进行,不均匀现象得到改善,粉体表现出较强的自组织性;在单次加载过程中,颗粒会发生多次碰撞;在致密化阶段,上层的部分颗粒会先发生变形并重排,中下层颗粒以重排为主;进入变形阶段后,所有颗粒的受力情况基本相同。

基于数字单元法的三维正交织物微观几何结构建模

为了反映织物内部纱线的空间构型和微观几何结构,针对在织物建模过程中,因忽略纤维间的相互作用而引起的纱线截面形状变化的问题,基于数字单元法理论,提出了一种计算纤维间摩擦力的方法。通过纱线纤维化离散,用数值模拟和仿真方法模拟三维正交织物成型过程,建立了5种精度递进的微观几何结构数值模型。5种模型中的每根纱线分别由4、7、12、19和37根数字纤维表征。研究结果表明:随着纱线纤维化离散程度的提高,仿真时间延长,织物厚度减小,纤维体积分数增大,节点平均作用力下降速度变缓,势能变小;当每根纱线由19根数字纤维组成时,所建织物的微观几何结构数值模型与真实织物样本在显微镜下的内部切片图像较为吻合。

有限单元法概述及其基本概念的分析

通过对有限单元法的概述,对有限单元法的分析过程以及基本概念进行了剖析,并作了简要说明,以使工程设计人员能更好的掌握有限单元法,更加高效安全的解决实际问题。