扩展散体单元法在钢筋混凝土桥梁倒塌分析中的应用

通过对原有钢筋混凝土结构扩展散体单元模型予以改进 ,提出了质点—桁架模型。将钢筋混凝土离散成单个质点 ,质点之间用桁架杆 (非线性弹簧 )联结 ,局部的破坏通过弹簧联结的断裂进行模拟 ,由此可计算结构从局部破坏到整体倒塌的全过程。借助面向对象的程序 (OOP)语言VisualC + +编制了分析软件 ,并计算了一个地震作用下独柱式桥墩倒塌的实例。计算结果表明 ,运用散体单元法分析桥梁倒塌 ,可直观地定性把握结构损伤发展直至倒塌破坏的全过程 ,对于结构倒塌破坏的机理研究具有重要意义。

钢筋混凝土扩展散体单元法的阻尼系数研究

扩展散体单元法（ＥＤＥＭ）是结构倒塌模拟的一种方法。对于动力问题；ＥＤＥＭ的阻尼系数必须采用接近实际的取值。而 ＥＤＥＭ中常用粘滞阻尼的实质是Ｒａｙｌｅｉｇｈ阴尼，可通过已知的振型阻尼比确定阻尼系数。

结构抗震倒塌分析的扩展散体单元法研究

散体单元法 (DEM)是一种模拟离散结构倒塌的数值方法 ,通过在单元之间加入联结弹簧 ,可用来模拟连续体的倒塌 ,称为扩展散体单元法 (EDEM)。介绍了扩展散体单元法在结构抗震倒塌分析方面的研究近况与有待解决的难点。

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。

螺旋输送机卸料口流量脉动产生原因及降低方法研究

为探明螺旋输送机卸料口流量脉动产生的原因,基于离散单元法(DEM)模拟球形颗粒在螺旋输送机中的流动过程,对螺旋周期结构和颗粒周期流动进行分析,得出了流量脉动产生的原因并提出了降低流量脉动的方法。结果表明:料槽中颗粒的周期性不均匀分布和螺旋面对颗粒的周期性阻挡造成了流量脉动;不同结构形式的螺旋输送机卸料口流量脉动对比为:无轴螺旋输送小于有轴螺旋输送,双轴螺旋输送小于单轴螺旋输送,斜卸料口结构小于正常卸料口结构;所提斜卸料口双轴螺旋输送的脉动值(1.14)与普通螺旋输送(2.25)相比降低了49.33%,基本实现了螺旋输送机卸料口颗粒的稳定流出。

山区管线滑坡风险评价中斜坡单元划分方法改进

随着长距离输油输气管道不断建设,管道不可避免地需穿越山区地段,而管道沿线山体容易发生滑坡,尤其在降雨工况下。山体滑坡时管道在滑坡体拉伸和挤压作用下发生变形,轻则导致管道变形,影响正常运行,重则直接导致管道断裂输送介质泄露,故对管道沿线山区地段进行风险评价,预测易发生滑坡的高风险区域,但是在预测前需要制作评价单元,其中斜坡单元是山体滑坡预测中常用的评价单元,根据文献调研斜坡单元的划分方式有两种即水文法和曲率法,但两种方法划分的斜坡单元均存在与实际地形不匹配的情况,而斜坡单元划分方法直接影响预测准确性。故本文结合水文法和曲率法的优势划分斜坡单元,最大限度地使斜坡单元与地形匹配。

扩展散体单元法砌体墙倒塌数值模拟

砌体墙的抗侧受力性能是砌体结构抗震抗倒塌研究的基础。基于扩展散体单元法（EDEM）建立砌体墙的分析模型,并用MATLAB语言编制了砌体墙的EDEM计算程序,该程序可模拟砌体受力的全过程,可得出从加载到倒塌的力-位移曲线,及砌体结构每个块体在受力过程中的位移。对不同材料强度、不同竖向压应力、不同构造形式的墙体进行分析计算,绘制出受力全过程的力-位移曲线及砌体变形图,并对其进行对比分析得出各个参数对砌体墙抗侧受力性能及变形性能的影响。

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。

三种离散单元建模方法仿真脆性材料切削的比较研究

在传统离散单元法和刚性单元重叠(ORC)方法的基础上,提出了一种新的构建不规则颗粒形状的方法——改进ORC方法。用三种方法分别对Si3N4陶瓷进行了离散元建模和切削模拟分析,从加工后的材料表面质量、刀具前端切屑分布状态及主切削力大小三方面讨论了三种方法之间的关系,分析了改进ORC方法的先进性。在此基础上,对细晶类花岗石和粗晶类花岗石进行了不同参数下的弯曲和切削模拟实验,计算了弯曲强度和主切削力大小并进行了试验验证。试验结果与模拟结果表明:样本为均匀性较好的非连续性材料时,适宜用传统离散单元法进行建模;样本为细晶类花岗石时,适宜用传统离散单元法和改进ORC方法进行建模;样本为粗晶类花岗石时,只适合用改进ORC方法或ORC方法进行建模。

大颗粒气力输运的CFD与EDEM耦合计算方法

为掌握冰雹颗粒抛射运动过程规律,以支撑冰雹抛射装置设计,需进行冰雹颗粒气力输运过程计算。通过计算流体力学与离散单元法双向耦合进行冰雹等大颗粒气力输运问题的模拟仿真。通过进行不同气源压力、不同抛射管径、不同抛射管长、不同冰雹流量条件下的计算及对比,得到随着气源压力的增大,冰雹抛射速度逐渐增大,气流流量逐渐增大;随着抛射管径的增大,冰雹速度逐渐增大,气流流量平方级增长;随着抛射管长的增大,冰雹速度基本保持不变,气流流量略有减小;随着冰雹流量的增大,冰雹速度逐渐减小,气流流量逐渐减小。

基于数据驱动的非球形散体颗粒休止角智能建模方法

针对离散单元法(DEM)仿真非球形散体颗粒休止角计算量大、耗时长的问题,本文基于DEM历史仿真数据,采用数据驱动的智能建模方法—BP、RBF神经网络建立非球形散体颗粒的休止角模型,并与传统克里金回归方法进行比较。结果表明,智能模型的运算速度相比DEM计算速度有很大提升;智能模型相比传统克里金回归模型具有更佳的预测性能,其中BP神经网络模型综合性能最优。最后,采用BP神经网络模型分析颗粒形状及摩擦因数对休止角的影响,发现休止角随颗粒形状变量、摩擦因数的增加都呈现增大的趋势,与现有研究结果一致,进一步证明了智能模型进行休止角预测的可靠性。

基于DEM和GPU加速的颗粒运动仿真方法研究

采用离散元素法(discrete element method, DEM)进行颗粒系统运动仿真时,其模拟计算量大、计算效率低下,所采用的传统中央处理器(central processing unit, CPU)并行计算模型难以实现较大规模模拟。文章提出了一种基于图形处理单元(graphics processing unit, GPU)和统一计算设备架构(compute unified device architecture, CUDA)的并行计算方法;以球磨机的介质运动仿真为例,利用DEM方法结合CUDA并行计算模型,充分利用GPU众核多线程的计算优势,同时将颗粒属性信息存入GPU的常量存储器,减少信息读取的时滞,将筒体和衬板视为圆柱面和平面,简化了筒体与颗粒的接触判断,实现每个线程处理1个颗粒的相关计算,大幅提高计算速度;对颗粒堆积、筒体内2种尺寸颗粒运动进行仿真,并与基于CPU并行计算的结果进行对比。研究结果表明:在同等价格的硬件条件下,该文的方法可以实现10倍以上的加速比;对于含有复杂几何模型的仿真,如多尺寸颗粒和带衬板筒体的仿真,加速比会减少,但仍然可以实现数倍的加速。

猴子岩水库色玉滑坡涌浪灾害链CFD–DEM耦合数值模拟

滑坡涌浪是一种常见的地质灾害现象,由于滑坡体与水体之间存在复杂的流固耦合作用,使得传统的单一介质模型无法进行准确求解。为此,介绍一种基于计算流体力学方法(CFD)与离散单元法(DEM)的流固耦合模型CFD–DEM,采用计算流体力学方法(CFD)求解水体流动,采用离散单元法(DEM)模拟散粒体滑坡运动,充分利用不同计算模型的优势,对滑坡及涌浪演进过程进行数值模拟分析。首先,利用该耦合模型对Robbe–Saule开展的颗粒堆积体坍塌–涌浪试验进行了相同工况下的数值计算,从颗粒坍塌运动过程、涌浪高度演化过程等方面进行对比,结果表明模拟结果与试验结果吻合很好,验证了CFD–DEM流固耦合模型的有效性。然后,将该方法应用于四川省猴子岩水库色玉滑坡–涌浪灾害的演进过程分析,重现了该事件滑坡失稳运动、涌浪产生及传播、涌浪爬升、涌浪回流的全过程,计算结果显示:计算得到的电站进水口处涌浪高度与实测数据较为接近;色玉滑坡从失稳运动至静止堆积的持续时间约为20 s,颗粒平均速度最大达到16.12 m/s;滑坡引起的涌浪约在滑坡失稳10 s后传播到对岸,之后开始沿坡面向上爬升,最大爬升高度达到27.32 m。研究表明CFD–DEM流固耦合模型能够很好地应用于模拟山区河谷大规模滑坡涌浪灾害,可为库区防灾减灾提供高效的技术支持。

一种基于CFD⁃DEM的箔条散射运动数值模拟方法

箔条散射是目前海上作战进行电子干扰的有效手段。为此介绍了一种基于计算流体力学(CFD)和离散元方法(DEM)的箔条喷散运动数值模拟方法。该方法基于Euler⁃Lagrange框架,在描述气体流动的Navier⁃Stokes方程中引入了空隙率的概念,同时引入投影面积来考虑固体占据多个气体网格的情况。考虑到湍流的影响,基于雷诺平均法(RANS)对气体流动控制方程进行时均化处理。最后利用该方法对箔条散射进行了数值模拟,同时给出了箔条散射过程和散射结构。该研究为空战雷达无源干扰技术的工程应用提供了理论和技术支持。

基于LBM-DEM耦合计算模型的含水层内悬浮颗粒运动特性

基于格子Boltzmann法(LBM)与离散单元法(DEM)的基本理论,通过对格子单松弛模型演化方程进行修正,建立LBM-DEM耦合计算模型。引入浸没移动边界方法(IMB)处理复杂的流-固边界问题,利用编程软件MATLAB开发LBM-IMB-DEM耦合求解程序,对悬浮颗粒在含水介质中的运动过程进行模拟计算。通过开展层析柱强制渗流试验,模拟DKT算例,验证了计算模型与求解方法的正确性;从孔隙尺度分析地下水动力、颗粒形貌和尺寸效应对含水层渗透性能的影响。结果表明:当进口流速为5×10^(-5) m/s,向含水介质注入球形硅微粉悬浮液时,含水层各区域的渗流速度均呈现下降、回升、稳定的3个连续阶段;随着渗流速度的降低,颗粒滞留率增加了47.4%,所选3个断面平均流速恢复率降低。将悬浮颗粒由球形硅微粉替换为非球形硅微粉后,所选3个断面的平均流速最大降幅分别提高了15.0%、11.4%、2.6%,恢复率依次降低了37.5%、69.6%、71.9%,含水介质的颗粒滞留率增加了47.9%。基于颗粒受力平衡分析可知,球形硅微粉转动惯量较低,易于滚动并脱离含水介质表面;同等效体积的非球形硅微粉比表面积更大,而且多絮凝成团,迁移过程中出现沉积或被孔喉捕获的机率提高,并且沉积后难以发生再释放过程。随着渗流速度的降低与含水介质计算区域的增加,悬浮颗粒形貌的变化对于含水层水动力场演化过程的影响程度增强。

抛石散体振动密实过程的离散元数值模拟

借助离散元法对爆炸挤淤形成堆石散体的振动密实过程进行了数值模拟。通过模拟散体单元相互运动、位置重排,在整体上表现出抛石堤的挤密效应,模拟结果与实际情况基本相符。利用离散元法可以清楚地得知所模拟的抛石堤在振动荷载作用下的运动及受力情况,抛石堤在各个时刻的状态也很明确。这充分说明采用动态离散元来模拟散体是可行的。

散体系统冲击破碎的动力学分析

针对球形粒子组成的散体系统,基于离散单元法,将球形粒子离散成弹簧-球单元系统,给出了离散单元的运动方程,建立了离散单元之间的弹性力和接触力的计算模型,并用Mohr-Coulomb型破坏准则判断粒子的破碎。运用上述方法,对圆筒内由脆性材料组成的散体系统在冲击载荷下的挤压破碎过程进行了数值模拟;计算过程中,跟踪散体系统中每个粒子在不同时刻的破碎情况;分析了散体系统冲击破碎过程数值模拟结果的主要影响因素。结果显示:数值模拟过程中需综合考虑计算精度和计算时间之间的平衡;相同的计算条件下,颗粒的初始堆积方式不同,计算得到的散体系统的破碎程度不同。

振动磨DEM动力学分析模型

运用离散单元法建立振动磨动力学分析模型,研究了振动磨的动力学特性;介绍了DEM及运用DEM建立振动磨动力学分析模型的方法和过程.该模型可对振动磨的磨管和磨介的运动进行数字模拟,可用于对振动磨各种动力特性的定量分析.

转筒内颗粒混合过程的DEM仿真研究

在现代工业中,很多大型工业过程装备的主体装置是回转筒,物料在转筒内的运动特性,物料颗粒的混合速度和混合程度直接影响了能量传递过程、产品质量和生产效率。采用DEM仿真软件PFC3D仿真转筒内颗粒的混合过程,用多固定区域内黄球浓度标准差及混合时间参数来量化描述颗粒的混合程度与混合速度;仿真了转速、填充率、转筒直径对颗粒混合过程的影响。仿真结果表明:随转速的增加,颗粒混合速度有所提高,混合程度变化不明显;随填充率的增加,混合速度有所减慢,混合程度有所加深;随转筒半径的增大,混合速度有所加快,混合程度有所加深。仿真结果为转筒内颗粒混合过程的理论建模提供了重要依据,为转筒类工业过程装备的设计和控制优化奠定了基础。

基于离散元法的斗轮堆取料机料斗磨损仿真研究

文中针对斗轮堆取料机中料斗在挖取料过程中的磨损问题,采用离散元法(Discrete Element Method,DEM)描述颗粒物料运动,并通过Archard磨损模型预测料斗壁面磨损情况,分析了颗粒物料对料斗切向和法向累积的接触力,基于EDEM软件开展了料斗尺寸参数对磨损影响规律的仿真试验研究。结果表明,Relative Wear模型能够较好地反映斗轮堆取料机料斗的磨损规律;料斗的磨损量随斗壁倒角的减小呈上升趋势,在普通料斗上增加倒角,能够显著减小料斗的磨损量;料斗切向收缩角的最优选择要与实际工况相结合,选出最优切向收缩角为4°;在径向收缩角2°~10°范围内,料斗的磨损量随径向收缩角的增大呈减小趋势。