针对有砟道床动力特性分析的嵌入式离散元-有限元耦合方法

在离散元-有限元耦合方法中,离散元和有限元交界面处的耦合方式对整体有砟道床的力学行为影响显著。采用基于球形单元的镶嵌单元或粘结单元模拟有砟道床时,由于球形单元和有限单元表面的自锁能力较差,使道砟层在列车载荷作用下容易产生侧向滑移,导致数值模型不稳定。此外,在实际铁路道床中,底部道砟均不同程度地嵌入路堤。为此,发展了一种嵌入式离散元-有限元耦合方法,通过设置一层嵌入地基有限元模型中的球形颗粒传递离散元域和有限元域间的力学参数,实现离散元和有限元方法的耦合。数值结果表明,嵌入式离散元-有限元耦合模型能够有效降低有砟道床的侧向位移,数值结果更加稳定,在处理与有砟道床类似的连续介质与散体介质的耦合问题时推荐采用嵌入式耦合算法。

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-有限差分耦合的轨枕垫对有砟道床横向阻力的影响机制

轨枕垫(USP)因其良好的减震性能已广泛应用于铁路轨道结构,现有研究大多集中于USP对轨道结构刚度和振动响应的影响,但对有砟道床横向阻力影响的研究很少。为深入分析USP对道床横向阻力的影响并揭示其作用机理,建立轨枕-USP-有砟道床-路基三维系统的精细化离散元-有限差分(DEM-FDM)耦合数值模型,采用典型重载铁路有砟道床横向阻力现场实测结果对模型进行标定和验证,进而模拟分析不同工况组合下USP对轨枕不同位置处(枕底、枕侧和枕端)的横向阻力、道砟颗粒运动和粒间接触力等宏微观指标的影响机制。研究结果表明:在相同的轨枕横向位移下,相较于无USP的轨枕,带USP的轨枕其枕底道砟颗粒运动范围更大,横向阻力也更大,且横向阻力增加部分主要来源于枕底USP的不平整性;USP刚度越大,道床横向阻力也越大;采用USP可增加枕底的横向剪应力和最大法向接触力,且两者数值均随USP刚度的增大而增大。

基于重叠边界的有限元与离散元耦合异步长并行计算方法

为了减少有限元和离散元耦合领域问题的计算时间,本文建立了有限元-离散元耦合异步长并行计算方法。整个计算模型分为有限元和离散元两类计算区域,根据每个子域单元特性选择合适的积分时间步长。每个子分区均采用显式时间积分格式进行求解,采用重叠边界法处理边界耦合问题,不涉及子循环过程的插值和截断过程。数值算例表明该方法在保证高精度的同时有效降低了计算时间。

月球车与月壤交互作用的离散元-多体动力学耦合建模

目前,对于散体颗粒物质与复杂机械系统的耦合作用研究,面临着跨尺度、计算规模庞大以及非光滑表面的接触检测困难等问题。为了探究月球车与月壤交互作用,首先对颗粒-多体耦合系统动力学建模与接触算法进行研究。分别用离散元方法(discrete element method, DEM)和多体动力学(multibody dynamics, MBD)笛卡尔方法建立了散体球形颗粒和含约束多体系统的动力学模型,并基于Hertz-Mindlin模型计算颗粒与刚体的接触力,在此基础上给出顺序耦合策略,建立了离散元和多体耦合的动力学模型。针对月球车齿状车轮的非光滑表面与颗粒之间接触检测规模庞大的问题,提出了非光滑形状物体的分区域局部检测方法,降低了局部检测的规模。通过对比圆柱体冲击颗粒的试验和仿真结果,验证了离散元-多体耦合模型的准确性。在耦合动力学建模和接触算法研究的基础上,对具有齿状车轮的月球车在月壤上行驶过程进行动力学仿真,研究不同驱动参数下的系统动力学特性以及不同轮胎形状对行驶运动的影响,研究结果表明,交错形轮齿的月球车相较直齿形轮齿前进距离多14%,前进效率较高,该研究对月球车的设计具有理论指导意义。

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。

考虑道砟侵切土质路基的有砟轨道离散元-有限元耦合方法

论文考虑有砟轨道道床结构中底层道砟颗粒会逐渐侵切土质路基上表层的实际情况,引入基于双曲线函数的土阻力公式,发展了离散元颗粒与有限元网格体内耦合的接触力算法,建立了考虑道砟颗粒侵切路基表层的有砟轨道离散元-有限元耦合模型.其中道床中的非规则形状道砟采用离散元镶嵌单元构造,路基采用有限元20节点六面体实体单元构造.分析了道砟侵切路基下列车荷载及路基软硬程度对道床整体沉降的影响,绘制了有砟道床-路基的横截面应力及位移云图.研究表明提出的耦合模型不仅能反映道床自身的弹性变形和累积塑性变形,还能真实反映底层道砟侵切软土路基表层所导致的侵切沉降,为深入了解有砟道床的沉降劣化机理提供重要借鉴作用.

离散元与有限元耦合的时空多尺度计算方法

采用力学与动力学参数传递以及权值分配法,建立了离散元与有限元耦合的时空多尺度计算方法。弹性应力波传播算例模拟结果表明,时空多尺度计算方法具有时间与空间多尺度双重优势,有效提高了数值计算效率,并且模拟结果满足精确性要求。同时,将这一多尺度计算方法应用于激光辐照下受拉铝板破坏行为的数值模拟中,得到的模拟结果与实验结果基本一致。

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。

有限元-无网格伽辽金耦合方法模拟沥青路面裂纹扩展

基于断裂力学理论,利用无单元伽辽金-有限元耦合方法分析了沥青路面的开裂问题,研究了水平荷载、结构参数等因素的影响。结果显示,水平荷载对沥青路面Top-Down裂纹(TDC)的扩展不利,它使得裂纹尖端的应力强度因子增大,裂纹扩展路径缩短,疲劳寿命减小;交通荷载作用下,沥青面层越薄,越容易产生开裂;Ⅰ、Ⅱ型应力强度因子随着沥青面层模量、基层模量的增加而近似线性增加,裂纹的起裂角随着面层模量的增加而减小,随着基层模量的增加而增大;随着土基弹性模量的增加,Ⅰ型应力强度因子线性减小,裂纹扩展角增大。

二维接触问题的无网格伽辽金-有限元耦合方法

研究了二维接触问题的无网格伽辽金 -有限元耦合方法。给出了接触问题的数学模型 ,对其中的线性规划法进行深入分析 ,并将它与无网格伽辽金 -有限元耦合方法结合求解接触问题。通过编程对光滑表面圆柱体与刚性平面的弹性接触问题以及粗糙表面与刚性平面的弹性 -理想塑性接触进行求解 ,在对无网格区域相关参数研究的基础上 ,指出了用无网格伽辽金

基于显微组织演化的本构关系的有限元变形-传热-组织演化耦合分析方法

为了使本构关系能体现热态塑性成形过程中变形-传热-组织演化之间的复杂交互作用,作者提出了一种根据显微组织演化建立材料本构关系的方法。以这种本构关系为媒介,作者进一步提出了一种热态塑性成形过程的有限元变形-传热-组织演化耦合分析方法,并建立了软件系统DHTMECA。应用DHTMECA对GH4169合金涡轮盘在液压机上锻造过程进行了变形-传热-组织演化耦合分析。计算结果表明,DHTMECA不仅可以揭示热态塑性成形过程中坯料的形状和尺寸以及坯料内热力参数的演化规律,而且能够提供热态塑性成形过程中坯料内动态再结晶过程的细节,从而在过程仿真方面为实现锻造过程最优控制和锻件组织最优化奠定基础。而这些功能是DE-FORM,AUTOFORGE,SUPERFORGE等商业有限元软件所不具备的。

基于有限元-离散元耦合矿石强度在微波照射下变化规律研究

针对以往研究中有限元无法模拟裂纹开展以及离散元无法考虑试块中微波不均匀性的问题,采用有限元-离散元耦合方法模拟微波弱化矿物的过程,监测模型中强度、温度、裂纹变化情况,根据强度变化分析黄铁矿粒径、含量及微波功率对强度弱化效果的影响。结果显示,微波可以有效降低矿物强度;黄铁矿粒径、含量对微波弱化矿物效果的影响不大,微波功率对弱化效果有着重要影响;矿物强度降低主要发生在一段时间内。结果表明:有限元-离散元耦合方法可以更加准确地描述微波辅助矿物解离情况;微波辅助矿物解离可以用于含不同粒径、不同含量黄铁矿的矿物解离,提高微波功率、选择合适的照射时间可以有效提高能量利用效率。

Navier-Stokes方程的有限元边界元耦合方法

主要研究了三维外部区域上具有Dirichlet边界条件的非定常Navier Stokes方程的有限元边界元耦合方法 。

流-固耦合问题边界元-有限元耦合方法分析

利用边界元 -有限元耦合方法对流 -固耦合振动问题进行了分析 ,假设流体控制方程为 L aplace方程 ,利用非连续边界元对流体域进行离散 ,从而有效地解决了边界元分析中的“角点效应”问题。固体以平面梁为模型 ,采用有限元进行离散 ,对非连续边界元和有限元的耦合问题进行了分析 ,通过对悬臂梁在一侧受液体作用时的瞬态响应分析的数值解同解析解的比较 ,表明了本文所给方法的有效性 ,同时为利用边界元 -有限元耦合方法对流

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。

基于离散元与有限元耦合的充气轮胎沙土路面行驶性能仿真方法研究

为研究充气轮胎在沙土路面的行驶性能,提出用于模拟充气轮胎-沙土路面行驶性能的离散元与有限元耦合模型,建立205/55R16轮胎的三维有限元模型和沙土路面离散元模型,并以离散元与有限元接触算法模拟轮胎与路面之间的相互作用。依据被动滑转原理,采用基于PID控制理论的加载方式为土槽装置轮胎加载。在自主研发的越野车沙地行驶行为仿真软件ORV-SAND中实现以上功能,仿真分析两种胎面对应轮胎的总牵引力、挂钩牵引力、行驶阻力和轮辋下陷量等行驶参数,以及不同滑转率对这些参数的影响。结果表明,仿真分析与试验结果在趋势上具有较好的一致性,说明提出的充气轮胎-沙土路面离散元与有限元耦合模型及仿真方法在研究轮胎与沙土相互作用关系方面具有很大的潜力。

有限元/离散元耦合分析方法及其工程应用

基于有限元/离散元(FEM/DEM)耦合分析方法,引入单一裂纹和弥散裂纹的综合模型作为节理单元的应力应变关系及破坏准则,通过节理单元的起裂、扩展和失效来实现岩体裂纹的萌生和扩展的模拟.以巴西劈裂试验对该模型进行了验证.并以罗富高速公路典型边坡为工程背景,分析了其在暴雨和地震作用下的滑坡发生机理.计算表明,暴雨作用下该边坡易发生局部破坏,暴雨和地震综合作用下会发生整体滑动.

航天器结构声振耦合问题的有限元-边界元方法数值仿真研究

针对高超声速、结构轻量化带来的航天器复杂结构声振耦合动力学环境难以精准预示问题,提出一种基于有限元-边界元(FEM-BEM)方法的声振耦合问题数值仿真方法。分析国内外求解声振耦合问题的主要数值仿真方法,从影响航天器性能设计的低中频声振耦合动力学特性入手,采用有限元-边界元方法,以航天器典型结构截锥壳为研究对象,开展混响噪声作用下的声振耦合研究。建立了声振耦合模型,获得了主体结构、主要支撑结构及设备的声振耦合响应。提出的数值仿真方法和仿真分析过程,为航天器声振耦合分析提供了理论基础和仿真手段。

一种有限元转化为颗粒离散元的方法及其应用研究

为了充分发挥有限元与颗粒离散元各自的优势,提出了一种由有限元转化为颗粒流的方法。数值模型首先用较粗的有限元网格进行离散,并在单元上引入连续介质本构模型。力学计算开始后,实时跟踪各单元的应力状态。一旦某单元的应力满足Mohr-Coulomb准则或最大拉应力准则,删除该单元,同时创建具有一定数目、随机分布且微嵌入的颗粒簇。其后,该单元所在区域的非连续变形及失稳断裂由颗粒簇演化获得。各颗粒的质量、材料参数、速度、位移、接触力等信息根据插值从有限元单元中继承。为了实现有限元与颗粒流接触面的耦合计算,引入了点-棱(二维)及点-面(三维)接触模型,通过法向及切向弹簧实现接触力的计算。颗粒球与有限元板的碰撞分析、单轴压缩、岩石切割等案例展示了上述方法的精确性及合理性。