基于数值仿真的复杂岩体TBM掘进性能评估模型

为了评估全断面隧道掘进机(TBM)在复杂岩体环境中的掘进性能,本文提出了基于数值仿真的全断面TBM掘进预测模型。首先,采用4D-LSM和DDA耦合模型数值重现工程尺度完整岩体和节理岩体的TBM掘进测试过程,分析全断面TBM掘进过程中刀盘的力学响应和岩体的破坏特征;其次,研究节理间距、节理方向、岩体单轴抗压强度以及脆性指数对可钻性指数的影响;最后,引入单神经元对数值仿真预测模型进行修正,并与岩体特征模型进行对比分析,验证基于数值仿真的全断面TBM掘进性能预测模型的适用性。研究结果表明:TBM在低强度、高脆性以及节理发育的岩体中掘进效率更高,当节理面与TBM掘进方向之间的夹角为60°~75°时,最有利于TBM的运行。基于数值仿真的TBM掘进性能预测模型提供了一种经济、灵活的可用于评估复杂环境中TBM施工性能的方法。

有限应变下蠕变—弹塑性—损伤耦合本构模型的数值模拟

本文提出了一个模拟有限元应变下各向同性蠕变－弹塑性－损伤耦合本构行为的数值模型。模型基于不可逆过程的热动力学和内状态变量理论、以及应力就变本构关系的超弹性形式描述和变形梯度的弹性及非弹性部分的乘式分解。

基于DRIVE-Urban模型的长沙市区暴雨内涝灾害研究

以城市内涝模型DRIVE-Urban为基础,对长沙市区内的两次典型内涝事件进了街道尺度(10 m分辨率)和6个不同重现期(5年、10年、20年、30年、50年和100年)下的模拟,并根据模拟结果确定了内涝风险等级和风险区划。结果显示DRIVE-Urban模型能够很好地反映市区内街道积水的淹没情况,两次内涝点命中率(POD)分别达到了64%和67%,且随着重现期增大,积水面积也逐渐增大,积水面积最高占比甚至达到了市区总面积的8.2%,约96.51 km~2。内涝的风险等级分为低风险、中风险、较高风险和高风险。高风险和较高风险区域主要集中在岳麓区东部、天心区北部、芙蓉区、开福区南部、雨花区北部以及高新区南部,而高新区北部、岳麓区西部和雨花区南部风险等级较低。

海岸带“海陆空”数值模型及应用综述

数值模型作为津冀沿海“海陆空”综合地质调查与观测体系建设的必要组成部分,在环境地质成果表达和综合研究中具有重要的不可替代的作用。本文论述了与海岸带“空陆海”相关的众多开源数值模型,这些模型在工程设计和科学研究中经常会使用到,具有获取方便、使用灵活及便于耦合等优点。本文主要从流体运动(包括水体和大气)的角度,分海洋数值模型、大气数值模型、陆地数值模型以及耦合数值模型等四个方面介绍了各种模型的优缺点、网格形式、求解方法及应用领域,阐述了各种模型在工程设计和科学研究中的应用实例,分析了耦合模型的未来发展方向。

柳堰集水库渔光互补工程对水环境影响的数值模拟研究

针对渔光互补工程对水环境的影响缺乏精准量化研究的问题,构建了适用于柳堰集水库的水动力水质水生态工程耦合数值模型,模拟了2020年8月自然现状和渔光互补工程实施后库区水温、化学需氧量、溶解氧、总磷、总氮、叶绿素a的质量浓度时空分布,并计算了水体富营养化指数。结果表明:渔光互补工程实施后,柳堰集水库的水温、溶解氧和叶绿素a质量浓度分别下降了0~6℃、0~0.02 mg/L和0~0.0005 mg/L,化学需氧量质量浓度上升了0~10 mg/L;总磷、总氮质量浓度变化趋势在光伏板下伏水域和未布设光伏板水域呈现较大差异性,光伏板下伏水域总磷质量浓度升高了0~0.814 mg/L,总氮质量浓度降低了0~0.125 mg/L;各水质指标在渔光互补工程实施前后的差异随时间推移逐渐减小,入汇口水体富营养化程度显著下降,中央库区灌溉取水口水体富营养化指数提高了5.61~16.00。

0-1型BEM与VOF方法耦合模型的研究与应用

文章讨论了近年来出现的波浪耦合数值模型,并建立了一个前域采用考虑底摩阻的0-1型BEM方法,后域采用VOF方法的双向耦合的波浪数值模型(0-1BEM+VOF模型)。应用模型计算了平缓岸坡上规则波的传播与破碎,并通过与物模试验的结果进行对比,表明了0-1BEM+VOF波浪耦合数值模型可以很好地模拟波浪的传播与强非线性变形,验证了该模型的有效性和准确性。

黄河宁夏段漫溃堤洪水耦合模型及风险评估

河道持续的高水位和长历时洪水增大了堤防漫溢及溃决的风险,溃堤洪水不确定性强,一旦溃堤,威胁巨大,因此开展溃漫堤洪水风险分析是防洪实时管理的必然要求。使用侧向链接构建了河道及保护区一维-二维耦合模型,综合考虑青铜峡水库的影响,更真实地模拟了黄河宁夏段下河沿至石嘴山河段100年一遇设计洪水下的溃漫堤洪水过程,同时基于GIS平台进行溃漫堤洪水灾情评估得到量化的洪灾损失指标,为经济建设者和洪水管理者制定合理的洪水预案提供参考。

基于水质水量耦合模型的浑河沈抚段水质分析

通过以MIKE11软件为基础,加入实测大伙房水库、排污口和支流河的流量水质数据,建立了符合浑河沈抚段特征的水质水量耦合数值模型,以浑河主要污染物质COD、氨氮为水质指标分析了干流排污口、支流河对干流水质浓度的影响。模拟结果表明:通过MIKE11软件可以清晰地观察不同边界条件下浑河沈抚段水体中污染物的迁移和衰减过程,干流排污口截流后浑河干流东陵大桥断面COD、氨氮浓度整体降低10%左右,支流河调控至地表五类水后浑河干流东陵大桥断面COD、氨氮浓度整体降低30%左右。

基于BEM与VOF耦合模型的潜堤附近波浪变形研究

BEM和VOF方法是目前模拟近岸波浪变形的2种有效方法。以这2种模型为基础构建了一个前域应用BEM、后域应用VOF方法的波浪数值计算耦合模型(BEM+VOF模型),并应用该模型对波浪越过水下潜堤的波面变形过程进行研究。结果表明,计算值与实验值吻合良好,说明本文建立的波浪耦合模型可以很好地模拟波浪和结构物的相互作用。

沧州市地下水开采-地面沉降数值模拟

以沧州市地下水开采引起的地面沉降为例,在分析研究区地质和水文地质条件的基础上,得到研究区地下水开采与地面沉降地质概化模型,建立地下水三维渗流和土体垂向一维变形耦合数值模型,在完成模型识别验证的基础上,预测了现状开采条件下从2010年末到2025年末地下水流场的变化特征和地面沉降的变化趋势。结果表明,到2025年底,整个沧州市范围内累计地面沉降量最大值为475 mm,最小值为270 mm。

宽肩台防波堤稳定性数值模拟方法研究

宽肩台堆石堤是海岸工程中的一种海堤形式,其以结构简单、施工快捷、布局灵活和造价经济的特点在工程中得到了广泛应用。宽肩台防波堤以堆积块石为主体,在海区波浪作用下达到稳定的堆积结构。进行宽肩台式防波堤稳定性的研究是设计宽肩台防波堤的重要基础。介绍了波浪水槽的光滑粒子动力学(SPH)理论和建立方法,验证了造波结果。提出了一种块石单元法(GEM)模式,以块石单元为独立刚体来模拟宽肩台防波堤上的块石在波浪作用下的受力状态和运动过程。建立了一种垂向二维光滑粒子动力学方法SPH与GEM耦合的波浪和块石模型,采用SPH与GEM相结合,对防波堤堆石孔隙外部的波浪运动和内部的孔隙环流进行模拟计算,并根据Forchheimer公式确定孔隙内部的压力。用SPH方法模拟堆石堤外部流场的波浪破碎压力,用孔隙环流模拟堆石堤内部的孔隙压力。使用耦合模式模拟了宽肩台防波堤孔隙流场,验证了孔隙压力分布。模拟了波浪作用于块石和块石对波浪动力响应过程,给出了静态平衡到动态平衡的流固场变化,模拟结果与物理模型试验结果基本一致。耦合模型的建立为宽肩台堆石堤的稳定性研究提供了理论依据,同时也为同类型工程研究提供了新思路。

系泊形式对浮式风力机动力响应的影响

系泊系统是影响浮式风力机动力响应的关键因素,关系到风力机系统的安全与效率。为研究不同系泊系统对浮式风力机动力响应的影响,以一种新型浅吃水型浮式基础为研究对象,基于该基础储备浮力大的特点,分别采用悬链线式与张力腿式两种不同系泊系统,用于海上5 MW漂浮式风力机定位。建立风力机-基础-系泊系统耦合动力学数值模型,基于叶素-动量理论计算气动载荷,运用势流理论计算水动力载荷,采用三维有限元动力分析模型分别计算两种系泊缆张力。基于该耦合数值模型,对两种漂浮式风力机在作业状态下的动力响应特性进行时域计算,计算结果表明:在额定作业海况下,对比悬链线式系泊系统,采用张力腿式系泊的浮式风力机的纵荡运动均值减少0.7 m,垂荡运动幅值减少39%,同时纵摇运动均值和幅值显著降低,采用张力腿式系泊系统的浮式风力机具有更好的基础运动性能,但其系泊缆内张力均值与幅值更大,同时风机输出功率与风轮叶尖变形的变化幅值也更显著。因此,对于文中提出的新型浮式基础,采用张力腿式的系泊方式具有更好的运动性能,但其系泊安全性与发电效率不如采用悬链线式的系泊方式。

深水漂浮式光伏平台系泊结构动力响应分析

基于实际工程深水漂浮式光伏平台特征提出系泊对称布置方案,建立光伏平台与系泊结构耦合数值计算模型,通过对比验证计算模型的准确性。根据实测海洋环境风浪流条件,开展漂浮式光伏平台系泊结构全时域动力耦合计算分析,探究0°、45°与90°方向极端海况作用下光伏平台6个自由度运动响应及系泊结构张力响应。结果表明:光伏平台6个自由度运动均在最大波高发生时刻响应最大,0°方向下纵荡运动和90°方向下横摇运动最为显著;0°、45°和90°方向下迎浪面系泊缆张力最大,背浪面系泊缆张力响应相对较小;系泊缆张力达到最大时,0°、45°和90°方向下迎浪面系泊缆呈绷紧状,其余系泊缆呈松弛悬链线状,较好反映了系泊缆张力响应。

高温岩石热损伤力学性能研究进展

为了深入了解高温岩石在热损伤作用下的物理力学特性,以及对地热资源开发、高温引水隧洞施工、超深钻探、矿体开发等岩石工程的安全与稳定性做出合理评价,通过分析国内外文献,系统综述了岩石在受高温作用下的损伤情况及物理力学性能方面的研究进展与成果;介绍了高温作用下岩石的破坏机理与其物理力学特性;侧重总结了岩石热冲击作用下物理力学参量的演化规律;重点分析了高温岩石结构破裂机理;总结了国内外有关热-力耦合模型以及数值分析的方法;指出当前岩石热损伤研究中存在的一些局限性,并从工程角度方面展望了未来的发展方向;系统分析了温度作用下岩石热损伤的演化规律。

水平荷载桩桩土共同作用全过程分析

在桩基础的分析中 ,对水平荷载桩的计算长期限于弹性 ,而只考虑桩周土体的非线性。本文在考虑钢筋混凝土桩非线性损伤的情况下建立了一种空间耦合数值计算模型 ,并编制了相应的计算程序。通过算例分析证明了所设计的计算程序是合理的和可行的。本文方法可以模拟计算桩身混凝土损伤引起的刚度降低和桩周土体不同应变软化模式对桩身水平位移的影响 ,与传统的或规范意义下的分析方法相比具有机理分析清楚 。

围垦工程地理位置对杭州湾水沙环境的影响

针对围垦工程地理位置对河口水沙环境特征的影响问题,本文基于杭州湾三维水沙耦合数值模型,分析杭州湾邻近海域不同地理位置的围垦工程,对局地和全湾的潮差、流速、悬沙浓度等水沙环境特征的影响。结果显示:杭州湾湾顶(澉浦)以上区域的围垦对杭州湾水动力、悬沙浓度的影响最大,且影响程度自湾顶至湾口逐渐降低;M 2、M 4分潮振幅在湾顶的局地变幅分别高达15%、-37%,M 2、M 4分潮最大流速在湾顶的局地变幅分别高达-39%、44%,对应的悬沙浓度减幅高达40%。其他区域围垦工程实施后,全湾的潮差、流速及悬沙浓度变化较为均匀,且变幅较小。不同区域的围垦对杭州湾悬沙净通量的影响均较为明显,其中湾顶以上区域的围垦工程影响最为显著。各区域围垦工程对杭州湾水沙环境特征参数的影响具有叠加效应。

浅水流动有限体积法/Osher格式的二维水流-水质模拟

应用无结构网格有限体积法 /Osher格式的二维水流 -水质耦合数值模型 ,采用黎曼近似解计算模拟区域水量、动量及污染物输送通量。通过对长江南京八卦洲江段浓度场的模拟计算 ,其结果与遥感卫星图片确定的污染带分布相吻合 。

叶片质量不平衡对基础环式风机基础服役性能影响研究

风力发电机叶片长期暴露于恶劣的高空环境,极易产生质量不平衡故障,对风力机的稳定可靠运行影响极大。传统的叶片质量不平衡研究主要集中于对风力发电机组功率和塔筒的分析。基础环式基础广泛应用于风力发电机,在循环荷载作用下易发生损伤破坏。因此,基于叶素动量等理论建立考虑叶片质量不平衡故障的基础环式风机基础服役性能评估模型,模型利用解析方法计算质量失衡叶片对基础造成的附加荷载,结合平衡条件和连续性条件,选用大型有限元软件ABAQUS模拟分析叶片质量不平衡故障对风力机基础应力、疲劳寿命以及侧壁混凝土裂缝发展规律的影响。结果发现:质量失衡叶片在水平方向对风力机基础疲劳寿命的影响最大,叶片质量失衡故障会加快基础混凝土损伤过程,增加基础环的水平度,进而降低风力机基础整体服役的可靠性。此外,建议风力机发生较小叶片质量失衡损伤时通过降低转速维持风力机运行,并定期监测叶片质量失衡比。

磁致伸缩效应对感应电机振动影响的研究

硅钢片磁致伸缩效应是引起感应电机振动的原因之一。基于虚功原理和有限元法,建立了考虑磁致伸缩效应和磁各向异性的感应电机磁-机械耦合数值模型,根据所建立模型计算了电机空载运行时定子铁心变形、应力和振动加速度随时间的分布。为比较磁致伸缩效应与径向电磁激振力效应对电机振动的影响,分别计算了单独考虑磁致伸缩、单独考虑电磁力以及两者共同作用时的振动加速度,结果表明磁致伸缩效应对电机振动影响显著。为了验证模型,对感应电机振动进行了实验研究,发现同时考虑磁致伸缩效应和电磁力作用时的振动加速度理论计算值更贴近实验测量值,从而验证了模型的正确性,为在设计阶段计算感应电机振动大小及分布,为寻求新的减振措施提供了理论依据和计算方法。

土体自重固结压缩对地面沉降影响研究

以南通市为例,建立了土体自重固结压缩、地下水开采与地面沉降三维全耦合模型。在对模型进行识别、验证的基础上,模拟预测了南通市在地下水停止开采,仅在土体自重固结压缩影响下,自2010年12月31日—2025年12月31日各含水层组地下水流场变化和地面沉降的发展趋势。结果表明,在此期间,南通市由土体自重固结压缩引起的最大地面沉降量为2.42 mm,最大地面沉降速率为0.16 mm/a,土体自重固结压缩对南通市地面沉降的影响极为有限。