基于耦合欧拉- 拉格朗日算法的航行体缓冲头帽冲击性能

航行体在入水过程中会受到强烈的冲击载荷,过高的冲击载荷极易造成结构破坏和内部设备失灵,研究结构高速入水降载技术具有十分重要的意义。设计一种以预制裂纹碳纤维材料作为外罩、泡沫铝作为内部缓冲材料的缓冲头帽。基于有限元方法,采用耦合欧拉- 拉格朗日求解器研究缓冲头帽的降载效果,通过对比数值结果与小球入水实验图像验证数值方法的有效性。分析在不同入水速度和入水角度条件下,缓冲头帽的抗冲击性能、损伤模式以及空泡的发展过程。结果表明:缓冲头帽撞击水面后沿着预制裂纹破碎,泡沫铝压缩吸能;随着自由液面以下的空泡不断向外扩张,破碎的头帽贴着空泡内壁向四周散开;缓冲头帽对于不同入水速度和入水角度的航行体有着良好的降载效果,在最恶劣的垂直入水条件下降载率可达75%以上。

水-空气耦合介质中冰载荷对闸墩的撞击影响研究

西北干寒地区长距离输水工程中河道修建的闸墩受到冰载荷撞击破坏,为确保冬季安全稳定供水,需进行冰载荷对闸墩撞击破坏力学特性研究。该文采用任意拉格朗日-欧拉(arbitrary Lagrangian-Eulerian, ALE)流固耦合(fluid structure interaction, FSI)方法模拟不同碰撞工况下冰体楔入闸墩碰撞过程,并通过对比实验,验证了冰材料模型参数和ALE算法的适用性,分析了网格尺寸对撞击力的影响。研究结果表明:计算得到冰载荷对闸墩撞击力极值与实验值具有良好的吻合性,表明该模拟所采用的冰材料模型参数、ALE算法和网格尺寸能够较准确模拟冰载荷对闸墩的作用力;闸墩损伤变形与冰排破损主要集中在碰撞接触区,接触区撞击力大小受到“水垫效应”的影响,空气介质对撞击力影响较小;不同冰厚和冰速工况下撞击力时程曲线呈现“Sawtooth”(上下波动)现象,撞击力加载-卸载时间较短;冰排楔入闸墩的过程中,撞击力极值出现在0°正碰接触区,在冰速1.2 m/s~3.0 m/s范围内,撞击力逐渐减小,在不改变冰速工况下,随着冰厚的增加,墩体结构响应越大,冰速和冰厚两种影响工况下闸墩顶端位移均为周期性振动。其仿真结果拟为西北干寒地区冰期河道中墩体结构安全提供指导。

桶形基础液压下沉过程的耦合欧拉-拉格朗日有限元法分析

由于结构物贯入时网格变形过大而产生扭曲畸变等问题,常会造成岩土工程下沉贯入领域的数值分析收敛困难甚至计算结果失真。采用合适的数值方法分析此类问题颇具挑战性。传统的有限元模拟方法往往会出现收敛困难、作出不合理的假设以及需要依赖用户的专业网格重划分和插值程序等问题。耦合的欧拉-拉格朗日(CEL)分析方法结合了拉格朗日网格与欧拉网格的优点,可以有效地解决有关大变形和材料破坏等诸多问题。通过位移控制法和力控制法两种下沉方式,进行桶形基础室内液压下沉模型试验,得出不同强度的黏土中桶形基础下沉阻力和下沉深度的关系及土塞高度。应用CEL有限元法进行模拟,计算结果与试验结果较为符合。采用的CEL有限元模拟方法不仅可对桶形基础自重下沉和液压下沉进行预测,也可为其他海洋基础结构的贯入模拟提供有益参考。

基于修正剑桥模型的软黏土中沉桩过程欧拉-拉格朗日耦合模拟分析

利用CEL(Coupled Eulerian-Lagrangian)有限元大变形方法模拟了不排水条件下软黏土中沉桩施工对桩周土体的影响.利用有效应力的方法实现了修正剑桥(MCC)模型Vumat子程序中超孔压的计算,通过与室内土工试验(一维压缩试验和三轴试验)结果对比证明了子程序的可靠性.将修正剑桥模型的Vumat子程序嵌入到Abaqus/Explicit的CEL方法中用于软黏土中沉桩效应的模拟分析.对计算得到的桩周土体流动、水平位移、超孔压、水平应力的分析表明,所采用的考虑孔压的CEL数值分析方法可以较好地模拟软黏土非排水条件下沉桩效应问题.

基于任意拉格朗日-欧拉算法的气帘展开数值模拟

大多数气囊展开模拟采用均匀压力算法,为了更有效地模拟充气气体与袋体的相互作用,建立了基于任意拉格朗日-欧拉算法(ALE)的气帘仿真模型,详细介绍了ALE模型相关组成部件、参数设置和接触定义方法,并利用LS-DYNA软件对该模型进行了仿真验证,最后将所建的气帘ALE模型初步应用到某车侧面碰撞仿真中,以考察气帘对乘员的保护作用。

钻井船插桩对邻近桩影响的耦合欧拉-拉格朗日有限元方法研究

依据模拟钻井船在黏土层中插桩对邻近桩影响的离心模型试验结果,研究了通过耦合欧拉-拉格朗日（CEL）有限元计算并结合非线性地基梁有限元计算,分析钻井船插桩对邻近桩影响问题的可行性。CEL有限元方法将产生大变形的土体设为欧拉体,采用欧拉有限元方法计算该区域的变形响应,计算过程中,欧拉体的空间网格形状、大小位置保持不变,物质可在网格之间运动;其他土体设为拉格朗日体,采用拉格朗日有限元方法计算变形响应,计算过程中,物质的运动和网格的变形保持一致。运用罚函数方法实现欧拉体与拉格朗日体的耦合。通过CEL有限元计算,可以确定钻井船插桩导致的邻近桩桩身水平位移。进一步通过非线性地基梁有限元模型计算确定桩身弯矩。计算结果表明,利用CEL有限元方法并结合非线性地基梁有限元方法计算出的桩身位移和弯矩沿桩长的变化与离心模型试验结果基本一致。说明采用CEL有限元方法并结合非线性地基梁有限元方法分析黏土层中插桩对邻近桩的影响问题是可行的。CEL有限元模型中欧拉土体范围的设置对计算结果有明显影响。研究表明,若插桩深度小于0.75倍桩靴直径,可将欧拉土体范围设置成1.00~1.25倍桩靴直径;若插桩深度大于0.75倍桩靴直径,将欧拉土体范围取为插桩深度以下0.5倍桩靴直径是恰当的。

下沉过程耦合欧拉-拉格朗日有限元法分析

在进行基础或结构物下沉贯入的数值分析时,常会遇到接触的处理困难、网格大变形造成的扭曲畸变等问题,引起程序收敛困难、计算失真。应用何种数值分析方法,准确的模拟下沉过程结构物和土的相互作用,已成为此领域的一个重要课题。耦合的欧拉-拉格朗日方法结合了欧拉计算方法与拉格朗日计算方法的特点,通过固定的欧拉网格及可以在网格中运动的材料,可有效的处理网格畸变等大变形分析中存在的解法困难,其接触算法可得到基础或结构物准确的应力应变状态。通过砂土中桩的静压下沉、吸力锚的自重下沉和海底管线自沉分析三个应用实例,表明CEL有限元法可有效模拟大变形问题,所得的计算结果有较好的适用性。其分析方法和成果可为其它类型基础结构的下沉分析提供有益参考。

基于耦合欧拉-拉格朗日方法的射弹高速入水尾拍数值分析

针对超空泡射弹火炮武器在航空反水雷作战中的应用,基于有限元分析软件Abaqus耦合欧拉-拉格朗日方法,开展射弹高速入水过程的数值模拟研究。通过对射弹垂直入水过程的数值模拟,获得高速入水载荷的一般形式;分析射弹倾斜入水过程中入水空泡的包覆状态与入水载荷、入水姿态变化之间的耦合关系,揭示射弹入水尾拍这一动态稳定运动的形成机理。不同入水攻角下射弹高速入水尾拍的仿真结果表明,在相同发射状态下,入水攻角是影响射弹密集度的重要因素。

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。

分析流-固耦合问题的ALE有限元平衡迭代算法

基于任意拉格朗日-欧拉(ALE)描述下的伽辽金/最小二乘(GLS)有限元法,以流体施加在固体上的耦合作用力为收敛控制参数,建立分析流-固耦合问题的平衡迭代算法;在伪弹性体法的基础上,提出新的网格更新算法,使得流体单元在网格更新过程中始终维持中节点位于单元边中点的直线形态。数值算例分析了质量-弹簧系统在封闭流体中的自由振动,得出因流-固耦合而产生的等效阻尼比、附加质量以及流场的形态。

基于耦合欧拉-拉格朗日方法的砂土中静压桩挤土效应数值模拟

为探讨砂土地基中静压桩沉桩过程的挤土效应,引入Simsand砂土临界状态本构模型,采用耦合欧拉-拉格朗日(coupled Eulerian-Lagrangian, CEL)方法,模拟分析了砂土中静压沉桩过程的挤土效应。基于相关试验数据校定本构模型参数,利用模拟离心机沉桩试验,验证数值模型的准确性。结果表明,挤土效应的影响区域直径随着桩尖角度和砂土相对密度的增大而增大,压入过程中,平底桩的挤土效应倾向于竖向向前,增大了土体阻力。桩基压入引起近地表土层发生隆起,密砂地层的隆起较松砂地层显著。随着深度增加,桩周土体的竖向位移由隆起变为向下移动,且趋于稳定,密砂中发生的侧向位移大于松砂地层。挤土效应的影响区域直径随桩端竖向向下方向迅速衰减,随桩端竖向向上方向发生小幅度减小,在密砂中沿径向方向呈现先增大后减小的趋势。

带椭球形气囊航行体落水-上浮过程仿真

针对水下发射模型试验中的模型低速落水问题,提出一种带椭球形气囊的航行体落水回收方案,两个气囊等距分布在航行体两侧,航行体与气囊之间用连接带相连。数值仿真基于Abaqus的耦合欧拉-拉格朗日方法,通过对比AUV头段入水的试验结果和仿真结果,验证数值方法的有效性。分析在不同姿态角和不同初始囊压的条件下,带气囊航行体低速落水后的运动过程、囊压变化以及连接带的受力情况。研究结果表明,航行体姿态角是影响落水-上浮过程的最重要因素,初始囊压次之;对于最大落水深度、囊压峰值、拉力峰值而言,趋于垂直落水的工况更加危险,最大落水深度为1.33倍航行体长度,最大囊压为3.7倍基准囊压,连接带最大拉力为2.2倍航行体重力。这些结论可为航行体落水回收的方案设计与结构参数设计提供参考依据。

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。

不同截面肋柱-软尾结构单相流动传热比较

基于任意拉格朗日-欧拉(ALE)方法,利用动网格技术和重叠网格技术数值模拟研究了不同Reynolds数、截面形状以及长径比下的肋柱-软尾结构在通道中的双向流固耦合换热问题。模拟工况为:Reynolds数Re=200,275,351;肋柱截面形状:圆形和方形;长径比k=2,3,4。研究表明:Re=275时圆形截面肋柱-软尾结构的流动换热综合能力优于方形截面结构,k=3时圆形截面肋柱-软尾结构的流动换热综合能力最佳,肋柱周围的局部换热能力方形截面结构好于圆形截面结构;k=3时,随着Reynolds数的增大,不同截面形状的肋柱-软尾结构的流动换热综合能力逐渐升高,并且高Reynolds数、高长径比的圆形截面综合流动换热能力最佳;与不加软尾肋柱结构的流动换热能力进行对比发现,对于圆形截面形状的肋柱结构,增加软尾后综合换热能力增大了19.46%。

排架-渡槽-水三维耦合体系地震响应分析

本文应用任意拉格朗日-欧拉(ALE)方法,针对不同的水位、不同支撑高度,研究渡槽结构在ELCentro地震波激励下的振动反应。研究表明,矩形渡槽中水体的晃动幅度十分显著,水体晃动呈多波振荡;排架高度越大,水体的晃动幅度越大,水体晃动反应越滞后于地震输入;外激励引起的动水压力对渡槽槽身应力的影响不可忽视;三维排架-渡槽-水耦合体的自振特性、排架高度、外激励等是影响渡槽中水体振荡反应和耦合体动力性能的重要参数,二维渡槽模型刚化了渡槽结构,不能真实反映三维耦合体的动力性能。

大型矩形渡槽-水耦合体系的动力性能分析

本文把任意拉格朗日-欧拉(ALE)方法用于分析大型矩形渡槽结构-水耦合体动力性能,并针对不同的水位、不同截面深宽比,研究渡槽结构在谐波激励、地震激励下的振动反应。研究表明,渡槽结构中水体的泼溅具有明显的非线性特征;渡槽中水位对耦合体动力特性影响极具规律性,但是随截面深宽比减小,水体振荡的非线性明显增强;渡槽结构截面深宽比选择合理,水体泼溅作用产生的倾覆力矩不会使槽体发生倾覆失稳,但是水体的大幅晃动产生的动水压力对渡槽槽身应力有显著的影响,在渡槽抗震设计中应给予足够重视。

大型渡槽-水耦合体系动力特性分析

以梁式渡槽为工程背景 ,采用任意拉格朗日 -欧拉 (ALE)方法分析大型矩形、U形截面渡槽结构 -水耦合体的动力特性 ,针对不同的水深研究渡槽结构在谐波激励、地震激励下的振动反应及水体对渡槽槽身的作用 .研究结果表明 ,渡槽结构中水体的晃动具有明显的非线性特征 ,在一定的外激励下水体的晃动作用十分显著 ,水体晃动产生的动水压力将改变渡槽槽体中的应力分布 ,但是在渡槽结构截面深宽比合理的情况下 ,渡槽槽体不会发生横向失稳 .对比矩形、U形渡槽 -水耦合体系的动力特性可以发现 ,U形渡槽中水体的晃动幅度一般大于矩形渡槽中水体的晃动幅度 ,这对高排架渡槽结构的性能有显著影响 ,在渡槽抗震设计中应给予足够重视 .

考虑水流-结构强耦合作用的水流动力效应分析

在深水桥墩及桩基础等结构地震反应中,地震激励下的水流动水压力对水中结构的作用以及结构位形变化对水体的反作用,属于典型的流固强界面耦合问题。以一顶端伸出水面的圆柱式结构为研究对象,基于任意拉格朗日-欧拉描述的Navier-stokes方程,建立了考虑水流-结构强耦合效应的水流-结构三维有限元模型。以正弦位移波输入,考察结构材料模量、水流流速和水位、激振频率和位移幅值等多种因素,分析了结构表面作用的动水压力反应特征以及水流动力效应,探讨了水流动力效应的主要影响因素。结果表明:考虑流固强耦合作用时,结构表面作用的动水压力及其分布具有强烈的频率依赖性,高频激励可显著增强动水压力作用;由于结构周围流体具有一定的粘滞性及动载作用下具有较强的辐射阻尼效应,水流动力效应对结构的位移、内力反应均有一定的抑制作用;激振频率、水流流速和水位以及结构材料模量等因素,对水流动力效应均有一定的影响。

下穿暗涵盾构隧道施工过程损伤-渗流耦合分析

针对下穿既有暗涵盾构隧道施工过程中的开挖扰动问题,首先给出了基于Mohr-Coulomb准则的岩体弹塑性耦合损伤模型,同时引入损伤变量-渗透系数演化方程,建立了岩体弹塑性损伤-渗流耦合模型;其次,利用ABAQUS软件的子程序接口,编写了模型的求解程序;为避免数值积分过程中的飘零问题,采用了完全隐式的向后欧拉算法,通过在主应力空间中分区域讨论的方式,解决了M-C准则数值积分过程中的奇异点问题;最后,将该模型应用于南昌地铁三号线工程,分析了盾构施工过程中地表与上部暗涵的变形规律,周围岩体的损伤值和孔隙水压的分布规律,依据计算结果提出了合理的施工建议。