基于耦合欧拉-拉格朗日法充灌袋挤淤过程的有限元研究

在含水率大、承载能力低的软土地基上,利用充灌砂袋进行挤淤置换的方法工艺简单、施工方便、处理效果明显,已经广泛地应用在建造围埝和修筑道路中。充灌袋下沉到一定深度后,其重量与地基承载力相等,从而达到极限平衡状态。充灌袋挤淤所达到的深度与其高度存在一定的对应关系,在工程中确定此关系十分重要。通过3组不同宽度的挤淤模型试验,得到充灌袋下沉量与充灌袋高度的曲线关系、淤泥的位移特性及隆起量。利用ABAQUS中耦合欧拉-拉格朗日法(CEL法),将充灌袋和淤泥分别用拉格朗日体和欧拉体描述,模拟充灌袋挤淤下沉的过程,将模拟得到的充灌袋下沉深度和高度的关系、淤泥的位移特点与试验结果以及理论公式进行对比。结果表明,CEL法模拟得到的结果与试验结果、理论解具有很好的吻合性,说明利用CEL法可以较好地模拟充灌袋的挤淤问题。

基于耦合的欧拉-拉格朗日法的边坡稳定性分析

目前边坡稳定性分析以小变形有限元研究为主,且边坡失稳判据的选取存在争议。基于大变形有限元分析技术耦合的欧拉-拉格朗日CEL法,研究土质边坡的稳定性。考察了网格尺寸、计算时长和初始地应力对模型计算结果的影响;探讨了能量突变法判据和塑性区贯通判据在CEL法中的适用性;通过与已有的数值计算结果对比,验证了CEL模型的可靠性。通过对不同判据间的对比分析,建议CEL法采用能量突变法判据;针对塑性区贯通判据,提出了临界累计塑性应变P_(c)的概念,量化了塑性区贯通判据求得的边坡稳定性系数;基于参数考察获得的113个算例的计算结果,拟合得到了用于计算土质边坡稳定性系数的经验公式,并验证了经验公式的有效性。

基于耦合欧拉-拉格朗日方法的浮筒着水数值仿真

基于耦合欧拉-拉格朗日(CEL)方法对浮筒着水进行数值仿真。建立浮筒着水三维模型,在保持浮筒质量、水平速度不变的情况下,利用三维模型对不同初始姿态角和下沉速度时浮筒着水工况进行数值仿真,最后对比各工况下垂直加速度、垂直速度、姿态角时历曲线。结果表明:下沉速度越大,浮筒所受载荷越大,初始姿态角越小,浮筒发生第二次弹跳的时间就越早;垂直加速度的仿真结果与水池着水试验结果比较吻合。

基于CEL法的破损边界附近气泡动力学特性研究

为研究船舶受到水下爆炸冲击波打击后遭受气泡二次冲击,对船体产生破损甚至折断这一类问题,气泡与破损边界的相互作用机理。将破舱壁面简化为具有圆形破口的弹性壁面,基于耦合欧拉-拉格朗日法建立了破损边界附近水下爆炸气泡动力学模型,将数值结果与模型试验结果进行对比,验证了所建立方法的有效性。在此基础上,研究了气泡射流、气泡体积、脉动周期,以及气泡对壁面冲击损伤的影响,探明了不同破口参数下气泡的脉动规律和射流穿透破口、撕裂等特征规律。为高能武器的研发和舰船破损后安全防护提供理论和技术支撑。

基于ALE与CEL法模拟吸力桶贯入过程对比研究

针对吸力桶贯入阻力特性,使用ABAQUS软件,从实施过程、参数影响、计算效率与结果精度等多个方面,对任意拉格朗日-欧拉(ALE)法和耦合欧拉-拉格朗日(CEL)法进行了对比研究。研究表明:ALE法的地应力平衡效果优于CEL法;在贯入深度小于0.8倍桶径时,2种方法的计算结果对网格尺寸不敏感;在大于0.8倍桶径时,随着网格精细化,ALE法得到的阻力值不断增大但逐渐趋近于定值,而CEL法的曲线离散程度变小但结果大小变化不显著;CEL法得到的贯入阻力-深度曲线对贯入速率的敏感度高于ALE法,且随着贯入速度的增加,CEL法得到的阻力也越大;当土体模型变形较小时,2种方法得到的阻力数值与理论值相近,但随着贯入深度的增加,土体模型的变形加剧,ALE法得到的计算结果小于CEL法和理论值。

流固耦合问题的描述方法及分类简化准则

在流固耦合的工程实际问题中的大多数情况下,弹性薄壁构件的变形为几何非线性,再加上流体方程的非线性,将导致流体和弹性体相互作用界面上的强非线性。在界面上便可以结合拉格朗日法和欧拉法建立方程和接触条件。其方法主要有单一拉格朗日法、单一欧拉法、相容拉格朗日-欧拉法和任意拉格朗日-欧拉法四种方法。引入描述弹性体变形特征的数值m、n、k和描述流体运动特征的数值λ、ν,可将流固耦合问题进行分类。在流体弹性力学理论的基础上,介绍了流固耦合问题界面相互作用的描述方法,并根据诺沃日洛夫BB(НовожиловВВ)在非线性弹性力学中,从几何非线性方面对弹性力学问题的分类方法出发,对流体弹性力学中的流固耦合问题进行分类,由此,可为按类别对运动学条件、动力学条件及界面上的接触条件进行相应的简化提供可靠的依据。

基于CEL法的静压管桩挤土效应数值分析

采用耦合欧拉-拉格朗日(CEL)有限元法分别建立单桩模型、预钻孔单桩模型、压入桩和隔离桩并存的双桩模型,研究桩周土体位移场变化规律,探讨预钻孔、隔离桩对挤土效应的控制效果。结果表明:管桩静压过程中,压桩深度不同,土体径向水平位移沿深度分布规律也不同,但其最大值始终出现在桩尖附近,且距桩尖下6~7 d(d为桩径)深度以下土体不受压桩影响;当桩压入深度大于8 d后,土体由浅层破坏转至深层破坏,对地表隆起的影响不再明显;压桩完成后,土体径向位移随与桩距离的增大呈指数型衰减。预钻孔深度越大,对挤土效应控制效果越好;隔离桩可以大大削弱其背侧土体的挤土变形量,且使发生最大径向水平位移的位置由桩尖附近向上转移至0.5L(L为桩长)深度处。CEL有限元法适用于静压管桩挤土效应分析,可推广应用于诸如沉桩、桩靴贯入等考虑大变形岩土工程问题的研究。

曲线顶管底幕法施工对沉船扰动的CEL数值模拟

依托“长江口二号”沉船打捞工程,采用耦合欧拉-拉格朗日法对极小曲率半径矩形曲线顶管底幕法沉船打捞工程进行数值模拟分析,获得底幕施工过程中顶推力以及船体竖向位移的动态变化,并与模型试验结果进行了对比验证.结果表明:所提的数值模型模拟结果和模型试验结果吻合较好,能较精确地预测沉船的变位和顶管的顶推力变化;最后一根管节推进为最危险工况,需要加强施工控制;采用左右对称推进而非顺序推进能够有效降低施工对沉船和土体的扰动.

可渗透圆柱壳流固耦合问题的流场与内力分析

在弹性薄壳的非线性理论和流体力学基本方程的基础上,研究了可渗透圆柱壳的流固耦合问题.假定壳体具有均布孔隙且孔的面积很小,不考虑其阻力,忽略对弯曲刚度和壳体腔内流体微小运动影响,应用相容欧拉-拉格朗日法建立了带孔的圆柱壳在流体中相互作用的基本方程。通过具体算例求解,给出了流场速度与压力的变化、圆柱壳的变形及内力分布,并对相关参数进行了讨论。

渗透球壳流固耦合问题的位移及内力解

在弹性薄壳的线性(非线性)理论和流体力学基本方程的基础上,在小雷诺数的情况下应用相容欧拉—拉格朗日法建立了渗透球壳在流体中流固耦合的基本方程及关系式,并通过摄动法求解了渗透球壳在粘性流体中的流函数从而进一步解出其位移及内力解。通过具体算例,给出了壳的位移变形及内力图,并对有关参数进行讨论,绘出相关曲线。得出渗透系数k和流速越大的情况下,壳体位移也就越大,相应的内力也变大;球壳在三个角度处位移为零。文章能为过滤器问题提供指导。

基于CEL法的柔性仿生机器鱼模型及巡游速度研究

为了研究柔性仿生机器鱼的设计参数(鱼体刚度、鱼体摆动频率、鱼体摆动幅值)对巡游速度的影响规律,并据此得出仿生机器鱼在达到较优巡游速度时的参数组合,文中首先根据耦合欧拉-拉格朗日(简称CEL)法的基本原理建立了柔性仿生机器鱼自主游动的流固耦合模型,然后通过正交试验得到不同组合的设计参数,并通过数值仿真模拟在不同参数组合下仿生机器鱼的巡游表现,最后根据仿真数据统计出各项设计参数对仿生机器鱼巡游速度的影响,并据此得到较优的参数组合。结果表明:CEL法能够考虑柔性仿生机器鱼在游动过程中的柔性变形,因而能够更加真实地反映实际情况中柔性仿生机器鱼的游动行为;在样本范围内,柔性仿生机器鱼模型的巡游速度随着鱼体刚度和鱼体摆动幅值的增加而呈现先增后减的趋势,随着鱼体摆动频率的增加呈现增加的趋势;在鱼体刚度(弹性模量)为30 MPa、鱼体摆动幅值为0.13倍体长、鱼体摆动频率为5.16 Hz时,柔性仿生机器鱼的巡游速度达到较高的水平。

基于CEL方法连续驱动摩擦焊接过程数值模拟

利用ABAQUS有限元软件,采用耦合的欧拉-拉格朗日方法,建立了一个新的连续驱动摩擦焊接过程的三维热力耦合模型,分析了焊接过程接头成型、温度场分布、材料塑性变形的影响规律,通过与实验结果比较,验证了该模型的准确性。结果表明:接头宏观形貌、轴向缩短量与实验结果吻合较好,模拟温度结果与实测数据相对误差约为1.7%~4.8%,变化趋势相同;深塑区的位置、宽度与计算的温度场具有较好的一致性;此模型对异种金属摩擦焊接过程的计算具有潜在优势。

钻井船插桩CEL数值模拟中的若干问题分析

依据模拟钻井船在不同场地条件下贯入阻力的离心模型试验结果及具体工程实例,对利用耦合欧拉-拉格朗日(CEL)有限元方法模拟钻井船在黏土、砂土、黏土下覆砂土、砂土下覆黏土及成层土场地插桩过程时,影响贯入阻力计算结果的几个因素进行了研究。结果表明,对于不同土层场地条件,有限元模型中欧拉区域范围对贯入阻力几乎没有影响。为确保CEL数值结果的精度,有限元建模时靠近桩靴部分设置为细网格区域,以外区域设置为粗网格区域;对于不同土层场地条件,减小细网格尺寸及增大细网格范围可以减小贯入阻力的振荡情况;经比较总结,细网格尺寸建议取0.05倍桩靴直径,细网格范围建议取2倍桩靴直径。采用位移控制模拟钻井船插桩时,桩靴贯入速率对黏土场地的贯入阻力影响较小,对砂土下覆黏土场地的贯入阻力影响很大,对一般成层土场地的贯入阻力有一定影响。经比较总结,建议在研究钻井船在不同土层场地的计算贯入阻力时,有限元模型的桩靴贯入速率取0.2 m/s。

固体火箭发动机两相内流场的连续介质-离散颗粒耦合混合模型数值模拟

为解决含Al推进剂固体火箭发动机内流场两相流动的数值模拟问题,采用将颗粒相视为连续介质和离散颗粒相结合的综合方法,建立起气相与颗粒相的双向耦合混合模型。针对颗粒类型与粒径尺寸的不同,采用拉格朗日法描述大粒径颗粒,平衡欧拉法描述小粒径颗粒,克服了现有模型难以全面考虑颗粒尺寸效应而使模拟精度下降的困难,通过算例验证了该混合模型的有效性和准确性。针对含Al推进剂固体火箭发动机内流场湍流气粒两相流动进行了数值模拟,分析了不同粒径尺寸颗粒的分布及其对发动机内流场和结构性能的影响情况。结果表明,大颗粒粒径在跨喷管段变化明显,平均减小30%。粒径40μm以上的颗粒易破碎,且燃烧效率进入平台区,较10μm颗粒下降50%以上,其Al含量均大于60%。

基于静态加载和CEL的纯水射流冲击压力有限元分析

静态加载和耦合欧拉-拉格朗日算法(CEL)被广泛用于纯水射流冲击强化的研究。为对比分析2种仿真方法,运用ABAQUS有限元分析软件分别建立其纯水射流冲击强化模型,获取能量历程变化、冲击压力作用的动态过程规律。将冲击压力仿真结果与理论结果、实验结果进行对比,结果表明:2种仿真模型的结果均与理论结果相吻合,而CEL法与实验结果吻合程度更高。所得结论可以为探究纯水射流冲击强化提供一定的参考。

堆载作用下邻近单桩响应的耦合与非耦合分析

本文介绍了两种计算堆载对邻近单桩影响的方法:目前较常用的是将土和桩的响应分开求解的非耦合方法;另一种为使用显式耦合欧拉-拉格朗日(CEL)技术建立数值分析模型。计算并比较了耦合/非耦合方法所得的桩基响应,并分析其结果差异的原因。此外,应用CEL耦合模型对堆载间距、强度、桩径进行参数敏感性分析得出:(1)堆载距离单桩越近,0~5 m深度内桩的水平位移越大,桩顶位置尤其突出。间距为1.0 B时弯矩最大值相对于间距0.5 B减小约71%、间距为1.5 B时弯矩最大值相对于间距B减小约57.3%;(2)堆载强度增加,桩身水平位移增加。堆载下沉深度为0.05 B时桩基弯矩最大值与下沉0.1 B基本一致,只是弯矩最大值点深度增加;堆载下沉深度为0.15 B时桩基弯矩最大值相对于下沉0.1 B增加约88.3%;(3)桩径由0.375 m增大到0.75 m可使桩顶位移减小82%,桩基相对弯矩(M/EI)最大值减小73%。

基于CEL法的土壤切削过程模拟

针对有限元法模拟土壤深度切削时,部分单元容易发生较大的变形,网格扭曲严重,从而导致计算中断的现象,利用ABAQUS软件建立了土壤深度切削的有限元模型,分别采用耦合欧拉-拉格朗日法(简称CEL法)和传统的拉格朗日法模拟了土壤的深度切削过程。通过对比发现,CEL法的切削效果更好,并与实际的切削过程更为贴近,且CEL法的切削力波动小,更为平稳。研究结果对应用有限元法模拟矿山工程、道路路基等基建工程施工及农业耕作具有一定的参考价值,也提供了另一种模拟土壤切削过程的方法。

一种网-桁架式海上拦截装置仿真分析

针对海上设施的安全防护问题,提出了一种网-桁架式海上拦截装置,目的是在有效拦截来袭小艇撞击的同时尽量降低对拦截装置本身的损伤.为验证这一装置的有效性,基于显式动力学和欧拉-拉格朗日耦合方法对拦截装置拦截小艇过程进行数值模拟,设定小艇垂直撞击支撑柱、支撑柱间隙和45°撞击支撑柱、支撑柱间隙4种工况,每种工况包含10、20、30 m/s 3种速度.通过对这12组仿真的碰撞力、能量以及破损状态分析,全方位分析了该装置的防撞性能和对小艇的拦截效果.所有工况下该装置都能完成对小艇的拦截,说明这种装置具有优秀的拦截效果.

双发CL-20基含铝装药水下爆炸载荷特性

基于水下爆炸理论,采用耦合欧拉-拉格朗日(CEL)方法,建立了CL-20基含铝炸药水下爆炸模型,分析了冲击波载荷和气泡动力学特性;在此基础上探究了双发CL-20基含铝装药水下爆炸冲击波时空分布规律及气泡融合特性,讨论了不完整刚性边界附近双发CL-20基含铝装药水下爆炸气泡动力学特性,得到了装药种类、破口尺寸和爆距3种关键因素对双发装药水下爆炸气泡载荷特性的影响。结果表明,与TNT装药相比,CL-20基含铝装药水下爆炸气泡半径和脉动周期更大,气泡最大半径增大了27%,脉动周期提高了65%,但气泡脉动压力小于TNT。双发CL-20基含铝装药在水平和垂直位置具有特征尖锐波峰-波谷载荷曲线和特征双峰曲线,冲击波峰值压力大于单发装药,最大增长率可达48.26%。不完整刚性边界破口尺寸、爆距增大会增加双发装药气泡射流宽度和持续时间,CL-20会加剧不完整边界对气泡动力学的影响。

风速对毛豆颗粒流态化行为影响的仿真分析

为了探究不同风速下毛豆颗粒流态化特性,提高速冻效率,基于欧拉-拉格朗日方法给出固体颗粒的运动方程,使用Fluent软件与Rocky颗粒仿真软件,进行毛豆颗粒在不同风速下的气固耦合仿真。结果表明,初始堆积高度100 mm的毛豆的初始流态化速度约为2.0 m/s,流态化过程中,床层边缘和中心区域气泡快速生成、膨胀,随后破裂,并且伴随少量颗粒喷射现象;压降和床层高度均呈现出周期性波动的特征,进入流化状态后,床层高度与进口风速呈正相关,2.6 m/s为最佳流态化风速。研究为食品流态化提供相关理论基础。