月面手动插旗过程的离散元-有限元耦合分析

在月球表面插入旗帜对人类探索宇宙具有重要意义.本文采用离散元G有限元耦合算法对手动插旗过程进行数值分析,首先,建立月壤的离散元模型、旗杆的有限元模型以及月壤与旗杆相互作用的离散元G有限元耦合模型;然后,对旗杆的结构进行优化设计以提高其稳固性;最后,提出三种不同的插旗方式并讨论不同插旗方式下旗杆的动力特性.研究结果表明,离散元G有限元耦合算法对月面插旗过程的模拟是有效的;底部尖锐度及稳定支架开叉角度的合理设计有利于增大旗杆的入壤深度和旗杆的稳固性;增大直接插入法中轴向力、提高敲击插入法中敲击力和敲击频率均可以增加旗杆的入壤深度;旋转插入法中旋转速度和旋转频率对插入过程影响较小.以上研究可为月面手动插旗提供有效的方案和理论参考.

基于离散元数值模拟的构造变形机制分析方法——以准噶尔盆地南缘为例

受多期构造运动影响,准噶尔盆地南缘前陆冲断褶皱带具横向东西分段、南北分带,纵向构造叠置的变形特征。但该区构造变形机制及样式的不同认识在一定程度上制约了油气勘探的深入。为探究准南缘新生代以来构造变形机制及其变形过程,本文利用高精度地震、钻井和岩石力学等资料,根据实际地质条件,重点考虑滑脱层的数量、强度及厚度变化,结合滑脱层纵向组合、横向分布范围及同沉积作用、先存构造等因素,共设计了10组模型,并采用离散元数值模拟方法开展了对比实验。实验结果表明,滑脱层强度、厚度及其组合主要控制冲断褶皱带构造纵向叠置关系及构造样式,滑脱层分布及同沉积作用主要控制其横向变形范围,先存构造主要影响后期构造的继承性发育。在此基础上,分段开展了多因素组合模拟实验并与实际地震剖面进行对比,重构了准南缘构造变形过程,揭示了新生代以来其构造变形机制,即先存断裂、古凸起、三套不同性质滑脱层纵向叠置关系和同沉积作用共同控制了西段构造的形成与演化,“下强上弱”“下薄上厚”两套纵向叠置滑脱层控制了中段构造的形成与演化,先存断裂及单套较弱滑脱层控制了东段构造的形成与演化。该方法可为类似的复杂构造变形区提供参考。

混凝土劈裂抗拉试验的离散元数值模拟细观参数研究

基于颗粒流软件PFC^(3D)研究细观参数对混凝土劈裂抗拉试验应力-应变曲线的影响,为离散元数值模拟的细观参数标定提供理论依据。通过控制变量法,研究摩擦系数μ、平行黏结模型的有效模量E~*、黏聚力c、拉应力σ_c、摩擦角φ和法向阻尼率β_(n)等细观参数对混凝土劈拉试验的影响。研究结果表明:平行黏结模型的有效模量E~*对宏观弹性模量的影响显著。随着有效模量的增加,宏观弹性模量逐渐增大,有显著的线性关系;平行黏结模型的黏聚力c、拉应力σ_c和摩擦角φ决定了宏观材料的峰值强度。其中拉应力σ_c和摩擦角φ的影响较小,黏聚力c对峰值强度具有决定性作用。随着黏聚力c增大,峰值强度线性增加;摩擦系数μ和法向阻尼率β_(n)对应力-应变曲线的影响可忽略不计。研究成果对快速、合理的确定混凝土数值模拟中平行黏结模型细观参数标定具有参考价值。

关于疆锋铁矿矿体开采离散元数值模拟研究

在矿体回采过程中,不同的回采方案及开采深度对上部围岩、周边矿岩体和地表的影响程度如何,是一项重要的研究工作。因此,利用离散元软件对疆锋铁矿Ⅱ号矿段崩落法的采矿条件下,不同采矿深度上盘围岩的冒落现象以及对周边岩层的影响进行数值模拟研究,结果表明离散元数值模拟方法切实可行,符合岩石力学基本规律,在空场条件下,II号矿段的开采会引发上部围岩的大范围冒落。

基于嵌入式离散裂缝和扩展有限元的裂缝性页岩油藏流固耦合高效数值模拟方法

通过耦合嵌入式离散裂缝模型和扩展有限元建立了一种适用于裂缝性页岩油藏的流固耦合高效数值模拟方法。该方法创新性在于:通过对裂缝进行显式降维处理,可以准确刻画水力裂缝对渗流场和应力场的影响,同时可以模拟水力裂缝开度的动态变化过程以及水力裂缝内流体压力对裂缝变形的影响;在划分网格时仅需对基岩系统进行正交网格剖分,不必考虑裂缝的几何形态,渗流场和应力场均选取一套网格,使得网格划分时的复杂度大幅降低。对于渗流方程求解采取模拟有限差分方法,满足局部质量守恒并且可以有效处理全张量形式渗透率;对于岩石力学方程求解采取扩展有限元方法,可以准确处理裂缝两侧的位移间断性。通过算例分析,本文方法的正确性与优势得以验证。

非规则颗粒与滚筒球磨机相互作用的离散元–有限元耦合分析

非规则颗粒形态显著影响球磨机中颗粒材料的运动行为,同时对球磨机结构产生不同的力学响应。采用超二次曲面方程描述非规则颗粒材料,并发展了离散元(discrete element method,DEM)–有限元(finite element method,FEM)耦合算法以分析非规则颗粒材料与滚筒球磨机间的相互作用。在该算法中,滚筒球磨机被划分为一系列四边形单元,并且超二次曲面颗粒与球磨机间的接触判断可转化为超二次曲面颗粒与四边形单元间的接触判断。将计算得到的碰撞力向节点插值,该节点力作为载荷条件在有限元中进行隐式动力学求解,并通过求解颗粒运动方程和有限元动力方程实现颗粒运动更新和结构力学响应分析。进一步分析了滚筒球磨机中球体、圆柱体和立方体颗粒材料的运动行为以及滚筒球磨机的变形及应力分布规律。研究结果表明:颗粒形状显著影响球磨机研磨效果和球磨机结构位移;立方体颗粒具有最好的研磨效果,而圆柱体颗粒比球体颗粒具有更好的研磨效果;在结构位移上,立方体颗粒有最大的峰值位移,其次是圆柱体和球体颗粒;相比于规则的球体颗粒,超二次曲面颗粒有不规则的表面形状,这会导致更好的研磨效果和更大的结构位移。

油井水力压裂流-固耦合非线性有限元数值模拟

基于多孔介质流-固耦合的控制方程,推导了相应的非线性增量有限元列式,并采用以节点位移和孔隙压力为自由度的黏结单元来模拟水力损伤造成的预设裂缝的起裂和扩展,在此基础上建立了油井水力压裂的有限元模型。在该模型中考虑了压裂液的黏性系数和支撑剂的体积浓度随时间变化,所有参数均采用现场压裂的数据。通过数值模拟,得到了缝口压力、射孔孔眼摩阻、沿程摩阻、井筒内液柱静水压力和地面井口压力随压裂时间的变化规律,并给出了"压裂作业三条线",模拟得到的"压裂作业三条线"与现场压裂实测结果吻合良好。

基于有限元/离散元耦合分析方法的含预制裂隙圆形孔洞试样破坏特性数值分析

为了揭示结构面作用下深埋高应力硐室围岩的破坏机制,采用有限元/离散元耦合分析方法(FDEM)对含预制裂隙圆形孔洞硬岩试样建立数值模型,研究不同预制裂隙(结构面)位置、长度以及倾角下试样孔洞周边裂纹扩展规律及其力学破坏特性,针对各种情况提出了相应的支护措施。研究发现,(1)在无预制裂隙作用条件下圆形孔洞顶底部首先出现张拉裂纹,随后在孔洞两侧相继出现劈裂裂纹并逐渐贯通,近似于开挖面附近的板裂化破坏;(2)若洞壁一侧存在已揭露裂隙该侧岩体整体呈剪切滑移型破坏,若洞壁一侧存在未揭露裂隙该侧岩体的破坏模式为张拉–剪切型破坏,未揭露预制裂隙试样的破坏程度更为剧烈且更容易诱发岩爆;(3)对于孔洞上方的预制裂隙,无论揭露与否最终都会产生局部性顶板垮落或崩塌;(4)随着预制裂隙长度的增加,圆形孔洞上方岩体由短裂隙时的局部性垮塌最终转变为全局式垮塌;(5)对于孔洞一侧预制裂隙,试样破坏过程所释放的动能(破坏程度)随裂隙倾角的增加呈现先增大后降低的趋势,对于孔洞顶部预制裂隙,试样的破坏剧烈程度随裂隙倾角的增加呈现单调递增趋势。研究结果可为含裂隙或断层岩体地下工程开挖、支护设计及其稳定性分析提供指导。

基于离散元-有限元耦合仿真的螺旋数值模拟分析

目的研究多螺旋布料器内螺旋强制推送骨料时的受力情况,针对螺旋易损坏、易磨损的问题,给出螺旋优化意见。方法基于离散元-有限元(DEM-FEM)多物理场耦合理论建立螺旋输送物料理论模型,数值模拟分析混凝土骨料与螺旋间的相互作用力。结果通过对比螺旋转动力矩的仿真与实验结果,证明了数值模型准确性;螺旋在推送物料时,等效应力最大位置在螺旋叶片与螺旋轴焊接区域;多螺旋同时推送物料时,中间位置的螺旋所受等效应力整体高于两侧螺旋;对于单螺旋而言,螺旋叶片沿轴向方向上40~80 mm处表面受力最大,100~140 mm处受力最小,沿径向方向上外圈受力较大。结论螺旋叶片内径增大或改为梯形截面可以减少焊接处应力集中的影响;螺旋叶片更换耐磨材料或适当增加叶片外圈厚度可以提高螺旋寿命;布料器中间位置螺旋选用高强度耐磨材料可提高寿命。

基于有限元-无限元耦合的2.5D直流电阻率数值模拟

为了解决传统有限元截断边界所引起的问题,提出一种新的2.5D直流电阻率有限元-无限元耦合数值模拟方法。首先推导无限元2.5D单元映射函数,然后提出一种无限元形函数,将其与传统有限元相结合,取代传统的混合边界,使得电位在无限域内连续并在无限远处衰减为0 V,最终形成的刚度矩阵稀疏对称并与场源位置无关。研究结果表明:在相同的网格剖分下,有限元无限元耦合方法比传统有限元法能够在边界测点处得到更高的计算精度,能够在较小的计算范围内得到更优的计算结果,从而有利于减少节点数,提高计算速度;由于系数矩阵不随场源位置改变,有利于加速反演计算。

低渗透气藏介质变形-渗流耦合有限元数值模拟

低渗透气藏开发过程中介质变形对储层孔隙度、渗透率及产能的影响不可忽视。综合考虑储层变形、地应力、流体渗流等因素，建立了低渗透气藏介质变形一渗流耦合模型；采用有限元数值模拟技术并开发相应程序对耦合模型进行求解，定量研究开发过程中储层变形及其对储层物性和气藏产能的影响。数值模拟结果表明：非均匀水平地应力造成近井壁区域储层变形及渗透率变化各向异性，产能评价中应综合考虑介质变形的影响。

离散裂缝网络模型与有限元方法在页岩气藏数值模拟中的研究

目前对砂岩单孔隙介质油藏的数值模拟理论和方法比较成熟,由于页岩基质和裂缝之间显著的物性差异以及页岩气的吸附规律使得我们无法继续采用单孔隙介质来对其进行气藏数值模拟研究,对于复杂而致密的页岩气藏,其理论基础还不完善,调研国内外页岩气数值模拟现状,搞清楚气水在页岩气藏中的渗流机理,建立此流动机制的页岩气藏的控制方程,并建立页岩气藏离散裂缝网络数学模型,探索页岩气藏离散裂缝模型的离散化方法,使用有限元方法求解离散裂缝网络模型,通过离散裂缝网络数值模拟方法优化页岩气藏地层参数和裂缝参数,并作出产能评价,这些方面对页岩气藏离散裂缝网络数值模拟研究的突破具有十分重大的实际意义。

深层离散裂缝油藏多尺度流固耦合数值模拟方法

深层离散裂缝油藏介质类型多、尺度变化大,存在离散介质与连续介质,且高压下介质易变形,对压力敏感,现有的油藏数值模拟方法虽然考虑了离散介质,但没有考虑裂缝变形的影响,方法不再适用,为此创建了深层离散裂缝油藏多尺度流固耦合数值模拟方法。首先,提出了基质、微裂缝、中小尺度裂缝和离散裂缝的分尺度模拟方法,建立了多尺度离散裂缝网络流固耦合模型。其次,创建了不同尺度离散裂缝流固耦合数学模型,针对不同尺度裂缝中流体流动和应力敏感特点分别考虑压力敏感或流固耦合:微裂缝存在应力敏感,与基质一起采用压力敏感方法来处理,建立压缩系数计算方法;中小尺度裂缝随油田开发容易闭合,提出采用裂缝开启闭合计算方法,建立裂缝开启闭合的计算模型;离散裂缝控制着流体流动方向和规模,同时裂缝容易填充,需要采用流固耦合处理,建立流固全耦合数学模型。再次,建立了有限体积和有限元数值模型,流动问题采用有限体积法进行离散,应力问题采用有限元法进行离散,并通过收敛性相对较好的全隐式数值求解方法进行求解。最后,通过理论模型与实际油藏模型进行方法验证:采用二维固结模型数值计算结果能够较好吻合理论解,验证了方法的正确性;采用实际油藏模型计算,由于考虑了压力敏感和流固耦合问题,吻合性较好,说明本方法计算准确性更高。因此,针对深层离散裂缝油藏高压、高应力和介质尺度差异大的特点提出了一种新的多尺度流固耦合数值模拟方法,方法新颖且实用性强,为该类油藏高效开发提供了技术支撑。

矿用装载机械铲斗的离散元和有限元耦合数值模拟分析

目前,在产品设计开发过程中,其传统结构强度分析方法已无法通过实验对其计算结果进行验证,根据其存在的缺陷,引入了离散单元法,建立物料接触模型,并与有限元方法进行耦合数值模拟。该方法开辟了全新的结构强度的分析理念,成功地解决了有限元分析过程中载荷施加需进行假设处理的难题。通过以铲斗铲装卸作业过程为例,对铲斗进行了有限元强度校核,得出了真实可靠的结论。

基于离散元模拟的超声波振动作用下层理状页岩损伤分析

为探究超声波振动辅助页岩储层改造的可行性,通过数值模拟方法建立层理状页岩的离散元模型,模拟不同层理倾角的层理状页岩在超声波振动下的损伤情况。结果表明:振动方向与层理面的夹角对超声波振动的传播有显著影响,振动方向与层理面夹角越小,生成微裂纹越多;裂纹主要集中在靠近振动源的地方,离振动源较远处生成的微裂纹数量较少;超声波振动对层理状页岩的强度影响明显,可在页岩内部诱生大量微裂纹,页岩微观结构和物理性质发生变化,单轴抗压强度和弹性模量会显著降低。该研究为利用超声波振动对层理状页岩进行储层改造提供了理论基础。

华龙一号反应堆上腔室及热段流-热耦合场数值模拟

压水型反应堆(pressurized water reactor,PWR)系统主管道热段内冷却剂的温度和流量,直接反映了核功率和堆芯换热状态,是反应堆功率控制和安全保护的核心参数。为全面掌握华龙一号反应堆上腔室及热段内冷却剂流-热耦合场分布及演变规律,为核心参数测控提供参考,基于有限元分析(finite element method,FEA)方法,对上腔室及热段冷却剂流域进行了计算流体力学(computational fluid dynamics,CFD)数值模拟。首先建立了合理简化后的华龙一号(Hualong One)反应堆上腔室及相连热段的3D几何结构模型。随后对模型计算域进行了离散化网格划分和网格敏感性分析。最后通过计算,获得了冷却剂非等温流动的稳态特性解,流量、温度与相关设计估算值、实际测量值的相对误差均小于2%。对稳态特性研究表明,高、低温冷却剂在上腔室垂直内壁附近的不充分换热导致热段入口冷却剂温度分布不均,存在14.0~16.3℃的温差。随冷却剂沿轴向流动,冷却剂温度场分布和流场分布均逐渐趋于均匀和稳定,且是热段内低温冷却剂的流动主导了冷却剂温度分布的变化。

基于有限元⁃离散元结合方法的Steven实验三维数值模拟

针对有限元方法描述断裂与摩擦时存在算法困难,而离散元方法难以描述炸药结构响应的问题,建立了有限元-离散元相结合的三维数值模拟方法与Fortran计算程序。通过有限元模拟炸药外金属壳体变形,离散元模拟炸药内部的裂纹扩展与摩擦升温,采用Arrhenius方程描述炸药热分解反应放热,实现了装药低速撞击非冲击点火的三维模拟。以Steven实验作为算例,开展了脆性炸药PBX-2在钝头弹与平头弹两种撞击条件下装药破坏与点火的模拟,考察了炸药非均匀性的影响,获得了装药受载应力历史、裂纹分布、温升曲线、点火时间与位置、撞击点火速度阈值等,分析了钝头弹与平头弹撞击点火的分布特性。以炸药裂纹摩擦以及自反应放热为点火机制的模拟结果与文献报道的实验结果符合较好。

侧向挤压过程的耦合无网格-有限元法数值模拟

应用刚塑性耦合无网格-有限元法,对平面侧向挤压过程进行数值模拟.采用修正的罚函数法约束体积不可压缩条件,避免体积闭锁现象.采用边界奇异核方法,直接、准确地施加本质边界条件.针对侧向挤压工艺的特点,将无网格节点布置在变形剧烈的区域,充分发挥其处理大变形问题的能力;在变形较小的区域采用有限元单元,利用其较高的计算效率.数值模拟结果表明,该耦合方法对于侧向挤压这类局部成形问题的求解具有良好的效果.

航空电机轴承热机耦合的有限元数值模拟

轴承作为航空电机结构中的关键组件,在运转中容易产生很高的热量导致变形,进而影响轴承的寿命和可靠性,为了探究航空电机轴承发热所带来的失效问题,采用热机耦合的仿真方法,对模型的边界进行设置,在Ansys Workbench中对深沟球轴承的稳态温度和耦合应力进行仿真计算,得到有限元数值模拟结果为轴承的设计、优化和失效分析提供了参考依据。

地下采矿引起地表塌陷离散元PFC^(2D)数值模拟研究

采用离散元PFC^(2D)建立了地质剖面颗粒流模型,研究了矿体开采过程中上覆岩层裂缝形成与发展过程,揭示上覆岩层逐渐垮塌崩落的机理。结果表明,随着矿体的开采,裂隙不断向上发展,裂隙数增加。开采矿体后形成的采空区造成了上覆岩层的拉裂⁃剪裂破坏,岩层中不断有新生裂缝产生。上覆岩层主要以拉裂缝发展为主,在拉裂缝发展区域两端产生部分剪破坏裂缝,在空区两端已经出现向上发展的裂缝集聚,是空区顶板逐渐垮塌崩落的征兆。开采第3分层和第4分层矿体后,出现了局部顶板垮塌现象,且垮塌崩落逐渐发展为整个采空区顶板垮塌,最终垮塌崩落至地表,在地表初步形成一个小塌陷坑。塌陷坑发展过程依据裂隙数可细分为平稳发展时期、缓慢发展时期、快速发展时期和结束发展时期,揭示了井下矿体开采致使上覆岩层拉裂⁃空区两端剪裂⁃整体垮塌崩落的形成机理。