基于离散单元法的渗流侵蚀作用下桩基位移与承载特性研究

随着城市地下空间桩基与隧道立体交叉分布体系的日渐复杂,隧道渗流侵蚀引发的桩基稳定性问题越发突出。然而,目前关于隧道破损引发渗流侵蚀方面的研究工作主要聚焦于侵蚀发生机制方面,其与邻近桩基的相互作用尚欠关注。因此,在物理试验揭示渗流侵蚀机制的基础上,通过建立土体临界细粒含量表达式,量化表征了地层侵蚀形态;随后,采用随机定量删除细颗粒的方法,基于离散单元法DEM建立了多区域侵蚀地层模型,进而分析了不同桩基位置、沉桩方式、桩基荷载和基础类型条件下桩基结构的侵蚀响应特征。结果表明,桩基受侵蚀后均产生不同程度的下沉位移,并在不平衡力的驱动下向侵蚀区倾斜;桩端阻力受损后随桩体下沉逐渐上升,侧摩阻力损失则基本无法恢复。此外,不同沉桩方式与桩基荷载下,桩体的位移与阻力变化模式基本一致,主要是变化量的不同;相比单桩,群桩具有更好的抗侵蚀能力。

广义弱形式自由单元法

自由单元法(FrEM)是一种单元配点法,吸收了有限元法等参单元的插值稳定性与无网格法使用灵活的优点,具有稳定性好和灵活性高的性能.FrEM在每个配置点只需要一个通过自由选择周围节点而形成的独立的等参单元,不需要考虑单元之间节点的相互连接关系,这种自由性使得人们可以按照学科性质形成所需要的单元,因而FrEM既适用于固体力学,也适用于流体力学问题的求解.然而,FrEM所用单元需要至少有一个内部节点(用于方程的配点),以致有限元法中单元节点相连的网格不能在FrEM中直接使用.文章基于对应于配置点的等参单元形函数在与其不相连的边界上为0的特性和配置点等效节点力平衡关系,提出了一种广义弱形式自由单元法(GFrEM).该方法是一种使用单元逐点建立配置方程的单元配点法,具有如下特点:(1)突破了现有自由单元法中单元需要内部节点的限制,因而可以使用线性单元和高阶单元;(2)突破了现有自由单元法中一个配置点使用一个单元的限制,可以使用与配置点相连的任意多个单元;(3)可以使用任意形式的规则单元和多边形/多面体单元;(4)如果使用单元节点相连的传统有限元法网格,则GFrEM自然演变为传统的有限元法.论文将给出几个固体力学方面的应用算例,展示所提方法的有效性.

利用熵权TOPSIS和遗传算法的焊接单元划分方法

在充分分析焊接工艺特性的基础上,以降低焊接序列规划和焊接工位分配难度为目标,综合考虑单元间的平衡问题和单元复杂度问题,提出一种利用熵权TOPSIS法和遗传算法实现焊接单元合理划分的方法。首先,根据最佳单元划分公式确定基础件数量范围;其次,以零件的质量、体积、表面积、零件连接数量、焊缝数量、焊缝体积为评价指标,通过熵权TOPSIS法确定基础件;然后,以单元稳定性、单元平衡性和单元复杂度为优化目标,利用遗传算法得到不同单元数量时的最佳单元划分方案,通过对比分析确定最佳单元划分方案,实现焊接单元的科学合理划分;最后,以某车型前副车架为例进行验证,结果表明该方法快速、合理、有效,能够满足实际的工程需求。

基于S-R和分解定理的二维几何非线性问题的虚单元法求解

应变-旋转(Strain-Rotation,S-R)和分解定理为分析几何非线性问题提供了合理可靠的理论基础,但用有限元求解时会遇到大变形发生后的网格畸变问题。近年提出的虚单元法(Virtual element method,VEM)适用于一般的多边形网格,因此,该文尝试使用一阶虚单元求解基于S-R和分解定理的二维几何非线性问题,以克服网格畸变的影响。基于重新定义的多项式位移空间基函数,推演获得一阶虚单元分析线弹性力学问题时允许位移空间向多项式位移空间的投影表达式;按照虚单元法双线性格式的计算规则,分析处理基于更新拖带坐标法和势能率原理的增量变分方程;进而建立离散系统方程及其矩阵表达形式,并编制MATLAB求解程序;采用常规多边形网格和畸变网格,应用该文算法分析均布荷载下的悬臂梁和均匀内压下的厚壁圆筒变形。结果与已有文献和ANSYS软件的对比表明:该文算法在两种网格中均可有效执行且具备足够数值精度。总体该文算法为基于S-R和分解定理的二维几何非线性问题求解提供了一种鲁棒方法。

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。

Pasternak地基中H(t)-V受荷桩水平响应有限杆单元法分析

为探讨桩顶水平动荷载H(t)与竖向荷载V联合作用下桩基的水平响应,基于Pasternak地基和Euler梁理论,建立了桩-土相互作用水平振动分析模型,采用改进的有限杆单元方法求解考虑P-Δ效应、土体剪切效应影响的综合刚度矩阵方程,结合桩土连续边界条件得到桩身内力与位移解答.通过与已有解析解、有限元解和模型试验的结果比较,验证了计算方法的合理性.最后,对影响桩身内力与位移的主要因素进行分析.结果表明:1)传统Win⁃kler地基相较于Pasternak地基模型,忽略了地基土体的剪切效应,将夸大桩体结构的实际受力,使得计算得到的桩身水平位移和弯矩均大于Pasternak地基所得结果,且随着桩土弹模比Ep/Es的降低,两种地基模型计算的桩身最大水平位移和弯矩的差异性呈现出增强趋势;2)随着桩顶竖向荷载的增加,桩身水平位移和弯矩受P-Δ效应的影响显著.当桩顶竖向荷载特征参数λ由0增至2时,桩身最大水平位移和弯矩分别提高40.85%和78.57%;3)相较无限长桩(L>20d_(p)),有限长桩的水平位移和弯矩的动力响应受桩身长径比L/d_(p)影响更大;桩身最大水平位移和弯矩随着水平简谐荷载幅值H_(0)的增加而增大,随着无量纲频率a_(0)的增大而减小.

基于有限单元法驾驶室防翻保护结构性能分析

防滚翻保护装置(ROPS)设计的可靠性,直接影响驾驶员是否能得到有效的保护。根据实车尺寸和视野要求,进行ROPS结构设计和挠曲极限量DLV设计;利用UG建立驾驶室三维模型,并建立有限元分析模型;根据国家标准关于ROPS的规定,对驾驶室翻滚保护的安全性进行分析,重点对不同方向的承载进行分析;基于驾驶室翻滚测试试验台,选取侧向加载进行测试,验证模型分析的可靠性。结果可知:当侧向力增加到140kN时,驾驶室吸收的能量为16672J,满足最小能量吸收能力要求;侧向载荷加载时,应力和位移均出现最大值,分别为372MPa和11.86mm,满足材料承载和能量加载要求;试验获得侧向加载时的最大应力和最大位移,满足材料和设计尺寸的要求,且与仿真结果的误差均小于4%,表明仿真分析模型是可靠的。所设计的防翻保护装置可以起到保护作用,为此类设计生产提供参考。

基于共旋坐标法的几何非线性裂纹梁单元

现有有限元软件模拟裂纹结构主要采用指派裂纹的实体和壳单元,但缺少梁单元。因此,在弹性梁单元的曲率函数中引入Dirac-δ函数表征局部损伤的曲率变化,得到位移分布函数;推导出应变矩阵和单元刚度矩阵,提出了裂纹梁单元。基于共旋坐标法理论进一步发展了考虑裂纹损伤的几何非线性裂纹梁单元,给出了单元的具体算法及流程。利用课题组开发的有限元求解框架,在程序中实现了裂纹梁单元及共旋列式裂纹梁单元。经过典型算例,对比分析了裂纹位置、裂纹深度及外荷载对裂纹梁弯曲性能的影响。结果表明:该单元能够准确描述裂纹结构的挠度变化,同时与现有模拟裂纹结构弯曲变形的单元相比,提出的裂纹梁和共旋列式裂纹梁在精度分别提高了约1%和4%,并且能够退化成无损伤的梁单元和几何非线性梁单元。

基于有限单元法密封结构影响因素建模分析

密封圈结构对高压试验装置的密封性、承压性具有直接影响。依据高压试验装置的结构特点,对O型密封结构进行结构参数分析,基于Mooney-Rivlin模型对特性进行分析;利用MARC有限元分析的方法对O型圈进行密封分析,分析不同密封间隙和槽深的尺寸下,接触压应力和Von Mises应力的大小,基于分析结果,优选密封间隙和槽深参数。结果可知:密封间隙为(0.04~0.14)mm间,压缩率为(10~20)%间,能够满足设计承载条件下的密封要求;通过对影响因素分析发现,密封间隙与Von Mises应力正相关,与接触应力负相关;压缩率提升,Von Mises应力先增后降,最大接触应力先降后增;80MPa压力下,较小密封间隙、压缩率对密封结构承载是有利的;通过分析设计密封圈影响趋势,发现参数的最优解为间隙0.043mm,槽深5.357mm,压缩率为10%。分析方法和研究结果可为超高压压力容器O型密封结构设计提供参考依据。

圆化离散单元法的改进及其在岩体断裂过程中的应用

为精确模拟岩体断裂的演化过程,将有限单元法与圆化多面体离散元法相结合,提出一种用于模拟断裂全过程的三维可变形圆化多面体离散单元法。为模拟块体的真实破坏状态,该方法将每个岩体颗粒都离散成有限单元,沿有限单元的边界嵌入无厚度节理单元,最后采用判断节理单元状态的方式来捕捉断裂过程产生的裂缝,岩体颗粒与断裂表面之间的接触相互作用通过圆化多面体离散元法求解。通过5个算例说明新方法的准确性和有效性,可用于模拟准脆性材料的断裂全过程,且能够捕捉裂缝萌生和扩展以及块体之间的碰撞和变形。

处理地下水模型单元疏干-湿润的两种算法对比研究

在使用网格单元中心差分格式的地下水模型中,对地下水网格单元“疏干(干)-湿润(湿)转化”的模拟极易引发模型迭代不收敛等异常情况,很大程度上影响模型的应用。本研究使用理想案例和丹麦应用实例,综合比较了MODFLOW模型的试算法与COMUS模型的全有效单元法对网格单元“干-湿转化”问题的模拟能力及算法特性。结果表明:(1)试算法的参数组合选取对模拟的收敛性和模拟结果都有明显影响,使用试算法时需要不断优化参数组合以避免模型迭代不收敛或模拟失真等异常情况,很大程度上增加了用户使用模型的难度和时间成本;(2)全有效单元法的模拟结果比试算法的模拟结果更具可靠性,全有效单元法的作用等同于理论上最优的试算法参数组合,使用全有效单元法时用户无需进行复杂的参数组合工作,因此该方法能有效降低模型的使用难度与模拟结果的不确定性;(3)全有效单元法中单元间水平向水力传导度算法实现了可以与经典调和平均法相比较的数值计算精度,说明全有效单元法在不涉及网格单元“干-湿转化”问题的地下水模拟中同样具有应用潜力。综上所述,全有效单元法更适用于处理地下水模型单元的疏干-湿润转化问题,并且有望在地下水数值模拟领域中得到更为广泛的应用。

基于离散单元法的立筒仓卸料动态侧压力数值模拟分析

为研究粮食立筒仓卸料时的动态侧压力,采用离散元仿真软件EDEM数值模拟玉米、小麦和稻谷三种粮食,研究不同种类贮料物理特性和接触属性下的静态侧压力分布,并与规范计算值进行对比;分析卸料过程中动态侧压力分布规律和相应超压系数、流动状态与速度分布关系;基于灰色关联度分析法进行卸料时动态侧压力影响因素分析。研究表明:三种贮料的静态侧压力最大值均出现在仓壁底部范围内且大于规范值,规范公式计算值偏于保守。动态侧压力在卸料过程中会发生震荡增大,三种贮料的动态侧压力最大值分别为6.08、5.38和4.73 kPa,均发生在0.8 m测点深度处且均超过规范中所要求的水平侧压力修正系数,现行规范中水平侧压力修正系数偏于不安全。贮料密度、贮料与仓壁静摩擦系数和贮料与筒仓结构碰撞恢复系数是影响动态侧压力的主要因素。该文可为筒仓规范中对贮料与筒仓结构的碰撞恢复系数的分析提供理论支持。

基于粘结单元法的干热岩储层水力压裂数值模拟与参数优化

水力压裂技术是实现低渗油气及地热储层的高效开发利用的关键技术手段,为了研究干热岩型地热储层水力压裂过程中水力裂缝的扩展规律,本文使用粘结单元法(Cohesive Zone Method,CZM)研究了压裂液排量、压裂液粘度以及水平地应力差对水力裂缝形态的影响,并利用正交试验对上述压裂工艺参数的组合进行优化。结果表明:压裂液排量对水力裂缝的长度具有重要影响,而压裂液的粘度对水力裂缝的宽度具有显著影响;压裂液的排量和粘度的增加,促进了分支裂缝的萌生和扩展;水平地应力差为1 MPa时,本文所建立的模型在压裂液排量和粘度分别取0.004 m3/s和0.07 Pa·s条件下,可获得最佳的压裂改造效果;随着压裂液的排量和粘度的持续增加,当压裂液的排量和粘度分别超过0.004 m3/s和0.07 Pa·s后,继续增加压裂液的排量和粘度将导致水力裂缝的长度和宽度的减小,可见在实际压裂过程中不能盲目通过提高压裂液的排量和粘度的方式实现对压裂效果的持续改进。本文丰富了干热岩储层改造的数值模拟手段,相关研究成果有望为干热岩型地热资源开采过程中裂缝扩展行为预测和压裂工艺参数的优化提供技术支撑。

基于超单元法的大型邮轮总振动特性分析

本文针对大型邮轮总振动数值预报方法展开研究,将超单元法应用于邮轮总振动分析中,对比分析超单元法相比传统直接计算方法在大型邮轮总振动分析中的优势,探讨超单元模型建立方式、设置数量以及残余结构选取对模态结果及计算效率的影响.结果表明:超单元法在邮轮这类大型结构总振动分析中具有更强的适用性,选用合适的超单元划分方式及数量可在保证计算精度的同时提高计算效率.

基于离散单元法的不同含水率土壤在转鼓中的流动行为研究

机械化学法修复POPs污染土壤应用前景良好,但由于无法通过实验手段获取球磨罐内颗粒运动信息,难以对工艺参数进行优化。考虑到土壤颗粒在球磨罐中的流动状态与在转鼓中十分相似,本文采用离散单元法(DEM)研究不同含水率土壤在转鼓中的流动行为。为了模拟土壤的结块特性,本文采用基于JKR理论的Surface Cohesive Force模型建立土壤粘聚力模型,并以转鼓试验过程颗粒的坍塌周期和质心角为指标验证了仿真参数的合理性。根据试验与仿真的结果可得,土壤的含水率越高,转鼓中土体坍塌周期和单次坍塌块体体积越大;土壤含水率在仿真过程中以表面能极性分量为表征,含水率越高,表面能极性分量越大,土壤内聚力作用下的结块现象越明显。此外,在仿真过程中,土壤的滚动摩擦系数显著影响转鼓内土壤颗粒整体的分层效果。由于本文使用球形颗粒代替土壤团聚体,摩擦系数的选取不应限于SiO_(2)材料的摩擦系数取值范围,才能保证仿真与试验结果的一致性。

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。

案例驱动有限单元法多元考核模式探索与实践

有限单元法是教学、科研及工程应用中重要而又普及的数值方法和工具,也是新工科背景下工科力学专业的核心课程。以有限单元法课程为例,探讨和实践多元考核模式在课程教学中的应用与效果。通过实施课程改革并引入多元化、全过程的考核评价体系,优化思政案例以及融入载体,以案例驱动引导学生思考问题、探索解决方案并领会有限元方法的实质,激发学生的学习兴趣和探究欲望,培养学生利用有限元法解决实际工程问题的思维能力。研究表明,多元考核模式不仅优化教学效果,为新工科背景下相关课程的改革提供有益借鉴,还为学生今后就业和进一步深造打下坚实的基础。

基于单元辐射叠加法的水下矩形板声场重建

为解决等效源法在水下结构声源声场重建中存在的虚拟等效源配置位置难以确定、求逆过程中传递矩阵病态性过大的问题,本文提出了基于单元辐射叠加法的水下结构声源声场重建方法。该方法利用结构声源边界元法建模思想与声场波叠加原理,建立了声源表面振动与辐射声场之间的振声传递关系,得到可快速计算的振声传递函数,并利用该函数作为传递算子进行声场重建。通过对矩形板的声场重建仿真,验证了本文方法相比等效点源近场声全息具有更高的重建精度,且具有更大的有效全息距离。通过在不同阵元数、信噪比情况下的仿真分析,进一步证明了本文方法能够改善水下结构声源的声场重建精度。

基于产出导向法的高中英语单元产出任务设计策略

本文以产出导向法为理论依据,通过设计单元总产出任务和子产出任务来加强单元整体教学的整体性和关联性,提出单元产出任务设计的策略:以单元所涉语料传递的核心主题意义为基础;以融入意义表达所需的核心语言为重要考量。在设计板块任务时,需建立子产出任务与总任务间的关联,清晰梳理子产出任务间的内在逻辑,落实子产出任务类型多元化,重视子产出任务设计中的语境变量。教学实践表明,这些策略具有可行性和有效性。

基于新型虚单元法的超弹性材料变形研究

虚单元法是一种先进的求解固体力学问题的数值方法,在过去10年间,该算法在线弹性问题中得到了较为广泛地开发和应用.文章尝试给出一种通用的高阶虚单元法格式,可用于计算超弹性问题以及更普遍的非线性问题.与传统求解力学问题的虚单元法的思想不同,其主要思想是对泊松方程求解映射算子,并将该映射算子直接用于位移场的近似,从而可求解众多非线性力学问题.由于采用了标量场的映射算子来近似矢量场,因此该算法格式简单,并且可以轻易扩展到高阶格式或者三维问题求解.将从泊松方程出发,介绍虚单元法中椭圆映射算子的计算方法,在此基础上,详细推导虚单元法在求解超弹性问题时的具体格式,并给出切线刚度矩阵的计算方法.最后,给出了几个典型的超弹性数值算例,从而证明该虚单元法格式的有效性.