流固耦合不可压物质点法及其在晃动问题中的应用

作为一种混合拉格朗日欧拉法,物质点法在流固耦合问题中具有重要的应用前景。对于自由液面的流动问题,基于物质点法框架已建立了弱可压物质点法和完全不可压物质点法,但在处理流固耦合问题时遇到了困难。弱可压物质点法由于采用可压缩状态方程,导致求解时间步长过小,压力振荡严重,产生了非物理的飞溅现象;完全不可压物质点法基于投影算法和不可压条件,消除了弱可压物质点法的压力振荡,提高了时间步长,但难以处理移动边界问题。基于变分形式的投影算法提出了一种新型流固耦合不可压物质点法,得到了体积加权的压力泊松方程PPE(Pressure Poisson Equation),解决了完全不可压物质点法无法处理不规则边界和移动边界的问题。采用流固耦合不可压物质点法研究了运动刚体容器中的液体晃动问题,并与已有实验和数值结果进行对比,验证了算法的正确性和精度。

金属增材制造的多物理场物质点有限元法

金属增材制造过程涉及复杂的热-流-固强耦合问题,对数值模拟算法的精度和效率提出了巨大的挑战。针对该问题,本文提出了多物理场物质点有限元法。该方法采用结构化背景网格、有限单元和物质点离散求解各物理场,通过分区求解和界面耦合的方式实现热-流-固耦合求解。对于潜在熔化区域和未发生熔化的区域,分别采用物质点和有限元离散,结合了两者在求解材料特大变形和小变形问题上的各自优势,能够在保证计算精度的前提下有效提升计算效率。数值算例表明了本文算法的热-流-固多场耦合计算精度、相比于已有算法的高效性以及物质点和有限元离散区域界面处温度和应力的连续性。本文工作为金属增材制造过程多物理场耦合问题提供了一种高效的数值模拟方法。

物质点法在风与膜结构耦合作用中的应用研究

为克服常用数值方法在风与膜结构的耦合计算中网格易畸变、耗费机时大的缺点,提出采用物质点法计算风与膜结构的耦合作用。结构域采用物质点法描述,流体域采用浸入边界法描述。结构对流体的作用通过对结构最边缘的网格节点施加边界条件来实现,流体对结构的作用通过在结构表面施加压力和剪力实现。分别给出了结构域、流体域和流固耦合计算的求解步骤。将该算法应用于二维膜结构的耦合计算,得到了结构响应和流体压力场等结果,与采用有限元法计算结果进行了对比,结果符合良好;同时与有限元法对比了计算效率,结果表明物质点法计算效率要高于有限元法。结果表明物质点法计算风与膜结构的流固耦合作用中可以得到准确的结果,且计算效率得到较大提升。

极端变形问题的物质点法研究进展

物质点法采用了拉格朗日和欧拉双重描述,将物体离散为一组在固定于空间的网格(欧拉描述)中运动的质点(拉格朗日描述),有效地综合了拉格朗日法和欧拉法的优点,是分析冲击爆炸等极端变形问题的一种有效方法。本文系统总结了本课题组近年来针对冲击、爆炸和流固耦合等极端变形问题在物质点法算法方面的研究进展,并简要介绍了开发的三维显式并行物质点法数值仿真软件MPM3D及其在超高速碰撞、侵彻、爆炸、边坡失效、金属切削和流固耦合等问题中的应用。

结构爆炸毁伤的浸没多介质有限体积物质点法

结构在爆炸载荷作用下的毁伤现象涉及强非线性激波、固体结构极端变形和破坏破碎、强流固耦合,给数值计算方法带来了极大的困难与挑战.针对结构爆炸毁伤问题,建立了浸没多介质有限体积物质点法(iMMFV-MPM),采用基于黎曼求解器的多介质有限体积法(MMFVM)模拟爆炸产物和空气的多介质流体,采用物质点法(MPM)模拟固体结构,并将提出的基于拉格朗日乘子的连续力浸没边界法(lg-CFIBM)扩展到多介质流体中以处理流固耦合边界条件.该算法在每个时间步严格满足流固耦合界面处的速度边界条件及动量守恒方程,不需要重构流固耦合界面,能够有效地模拟近场爆炸下爆炸产物与结构的相互作用、激波与结构的相互作用和演化以及结构的动态断裂和拓扑变化.利用iMMFV-MPM对近场爆炸下方形钢筋混凝土靶板的失效模式、外爆载荷下建筑物的毁伤现象以及多腔室内爆炸试验进行了模拟,模拟结果与相关实验数据吻合良好,验证了所建立的流固耦合算法的有效性及精度.

基于三维物质点法的河道动力学特性研究

文章采用新兴的三维物质点法对河道动力学特性进行模拟分析,避免了Eulerian法不易追踪物质边界、Lagrangian的网格会随着物质变形发生严重扭曲的问题,提出了失效模型的概念,来解决流固耦合问题,并针对红汀子河的实验数据,验证了三维物质点法在河道动力学研究中的适应性。此外,对于河道变形、泥沙演化问题也进行了深入探讨,为类似河道治理工作提供参考借鉴。

水力压裂裂缝空间转向特征三维数值模拟研究

水力压裂技术广泛应用于煤矿坚硬顶板控制、冲击地压防治和低渗煤层增透等领域,而岩体水力压裂裂缝空间转向规律尚未完全厘清。为探究岩体水力裂缝空间转向扩展特征,采用三维数值模拟手段研究地应力、排量、流体黏度、天然裂缝、缝间诱导应力的影响效应。结果表明:裂缝转向主要发生在最大主应力法平面,随着中间主应力与最小主应力之差增加,裂缝朝中间主应力方向转向,且偏转程度逐渐加剧;提高排量或流体黏度将促使裂缝沿初始方向扩展;水力裂缝穿越天然裂缝呈绕道穿越和直接穿越两种典型模式,天然裂缝仅在局部范围内阻碍水力裂缝扩展,相交后水力裂缝仍沿最大主应力方向继续扩展。多条裂缝同时压裂时,裂缝易受诱导应力的干扰发生空间扭转,中间裂缝偏转程度最为剧烈;多条裂缝分段压裂时流体返排,诱导应力干扰效应显著降低。地应力场主导水力裂缝三维扩展方位,其他因素仅在局部范围内产生次级效应。研究结论可为煤矿井下水力压裂工程提供借鉴。

耦合有限元物质点法及其在流固耦合问题中的应用

有限元法在求解大变形问题时会遇到网格畸变和时间步长严重减小的问题。物质点法在大变形问题中无网格扭曲问题,且粒子代表了物质流动,无需界面追踪算法。但在小变形问题中,物质点法的精度和效率均低于有限元法。该课题组针对冲击侵彻问题提出的耦合有限元物质点法分别采用有限元法和物质点法模拟小变形和大变形物体,物体间的相互作用通过接触算法实现,既保留了有限元针对小变形问题高精度高效率的特点,又避免了材料大变形给有限元法带来的网格扭曲和时间步长严重减小的问题,还可以自动追踪界面。在流固耦合问题中,固体变形较小而流体变形较大,因此也适合用耦合有限元物质点法求解。该文简要介绍了耦合有限元物质点法的基本原理,并将其应用于流固耦合问题中,取得了较好的效果,表明耦合有限元物质点法是分析流固耦合问题的一种有效的方法。

巴东组泥岩大断面隧道开挖面大变形滑塌失稳机制与防治措施研究

隧道穿越富水软弱地层时易发生开挖面滑塌失稳破坏,为此,本文以郑万高铁巴东隧道为工程依托、以巴东组紫红泥岩为研究对象,开展系列室内试验,揭示泥岩遇水软化的力学特征。综合考虑围岩节理发育及施工扰动等因素的影响,基于Hoek-Brown强度准则将室内试验获取的完整岩体的强度参数转化为现场岩体参数,并采用两相单质点流固耦合物质点法(MPM)对隧道开挖面滑塌失稳大变形全过程进行模拟,并结合现场评价超前帷幕注浆预加固措施的有效性。研究结果表明:开挖面滑塌失稳过程可大致分为开挖面隆起变形、开挖面局部失稳及滑塌体加速运动、滑塌体稳定这3个主要阶段。随着开挖面前方滑塌体的加速运动,围岩的渗流场发生明显的变化,渗水形态呈“漏斗状”,水流向开挖面“缺口”汇集;滑塌体稳定后呈锥体状堆积,滑塌体坡脚与开挖面的距离约25 m,与现场滑塌体最终形态较吻合。采取超前帷幕注浆预加固措施后围岩稳定性较好,确保了隧道施工安全顺利推进。流固耦合物质点法可动态再现地下水渗流作用下软弱地层隧道滑塌失稳破坏全过程,可为类似工程研究提供参考。

基于两相双质点MPM的滑坡堵江灾害链生全过程分析

滑坡—堵江—堰塞湖灾害链是高山峡谷地区的典型地质灾害,其中,滑坡堵江环节作为该灾害链的衔接过程,往往决定了后续灾害在时间、空间上的延拓规模,合理再现这一复杂流–固耦合过程对于灾害链风险评估至关重要。本文基于物质点法(MPM)模拟岩土材料非线性的优势,采用Drucker–Prager模型表征失稳运动的岩土体,引入人工状态方程表征水体流动过程,发展了岩土体(固相)与水体(液相)相互作用的两相双质点物质点法(TPDP–MPM);通过模型试验尺度下滑坡体–水体相互作用过程的仿真分析,验证了TPDP–MPM处理岩土体、水体两相耦合的有效性。以此为基础,针对2011年湖北十堰市二荒村滑坡堵江(平渡河)灾害链,再现了灾害演化全过程;通过演化过程中的速度场与动能分析,认为二荒村滑坡堵江全过程可分为失稳启动、高速滑动、入江制动和堆积成坝4个阶段,揭示了滑坡体在失稳启动和高速滑动阶段的运移模式及入水制动阶段水体对于滑坡堆积过程的影响规律。研究成果可为滑坡堵江灾害链全过程的推演与风险评估提供理论支撑与方法。