基于显微图像法和数值仿真的宽分布颗粒粒度测量的不确定度分析

随着宽粒度分布标准物质概念的提出,其定值方法也需加以明确。针对宽粒度分布标准物质电子显微图像的处理和不确定度等问题,首先采用了基于霍夫变换圆检测的球形颗粒图像边界识别方法,以实现对粘连颗粒图像的正确分割;其次通过数值仿真的方法确定了由取样数量引入的Dv50测量值的不确定度,并与相关标准进行对比分析,验证了该方法的可行性;最后提出了由单个颗粒粒径不确定度获取颗粒系平均粒径不确定度的方法,并对粒度分布范围在1~18μm的玻璃微珠颗粒进行了不确定度评估,得到其相对扩展不确定度为1.613%(k=2)。

基于数值仿真技术的TBM刀盘系统强度可靠性分析

刀盘作为全断面岩石隧道掘进机(Full Face Rock Tunnel Boring Machine,TBM)的直接开挖部件,承受刀具破岩的全部载荷,其强度可靠性是评价TBM刀盘性能的重要指标。受复杂地质条件及刀岩相互作用机制的影响,刀盘在掘进过程中承受的载荷具有很强的随机性,故在单一特定工况下研究刀盘的强度性能已无法满足工程需求。鉴于此,本文建立一套随机载荷作用下TBM刀盘强度可靠性的分析方法。基于刀盘-岩石耦合计算模型获取掘进过程中刀具的破岩载荷;对破岩载荷进行统计分析,得到其分布特性及对应参数,并以此为依据构造刀具破岩的随机载荷,采用蒙特卡罗法对刀盘强度的可靠性进行分析。结果表明:安装半径最大的两把正滚刀的破岩载荷对刀盘强度失效的影响最为显著,其权重可达2/3;在常规岩层下高速施工或在硬岩地层维持正常开挖速度,都将显著降低刀盘的强度可靠性。研究结果可为刀盘的地质适应性设计及TBM施工参数控制提供参考。

CEL法与ALE法在海底管土作用数值仿真中的应用

针对海底管道与海床相互作用有限元仿真中普通拉格朗日单元因大变形而畸变的问题,需要选用更合适的仿真方法。本文首先分别采用针对网格大变形问题发展出来的任意拉格朗日欧拉(ALE)法以及欧拉-拉格朗日耦合(CEL)法建立有限元模型,借助模型试验数据验证数值仿真方法的合理性,并通过网格无关性分析,确定了ALE法与CEL法适合的单元尺寸。然后分别利用拉格朗日法、ALE法以及CEL法计算了海底管道垂向与侧向土体反力,通过对比分析得出各种方法在研究海底管土作用时的优、缺点。最后进行了管土作用试验,发现CEL法能够较好地反映管土作用中的速度放大效应。

空间滤波测速中速度解算新算法及Monte Carlo仿真

针对空间滤波测速(SFV)中的速度解算算法和系统设计参数优化问题,使用计算机仿真的方法研究了基于对数加权平均的速度解算新算法,设计了计算机仿真计算实验,得到线列图像传感器采集的特征目标的图像和速度解算精度。在运动物体的速度范围为0.1~100m/s内,设计的SFV均可以解算出物体的运动速度,解算速度相对误差的均值偏差为-0.250%,相对误差的标准差为0.623%。使用Monte Carlo仿真的方法研究了基于对数加权平均的速度解算算法中功率阈值对速度测量精度的影响,以物体运动速度100m/s为例,解算得到的运动速度的误差由功率阈值为0dB时的1.065m/s降低至功率阈值为-5dB时的0.381m/s,即相对误差由1.065%降低至0.381%。

基于ABAQUS部件装配和单元追踪的盾构隧道施工数值仿真对比研究

当采用通用有限元软件ABAQUS模拟盾构隧道施工时,部件装配法应用广泛,但其在处理盾壳、注浆体、土体及管片等多部件间复杂接触关系时,常面临计算收敛性不佳的挑战;而单元追踪法通过共节点单元复制有效规避了这一难点。构建了荷载-结构模型,对比验证部件装配法与单元追踪法的收敛性,计算显示在相同的网格密度下,单元追踪法在收敛性方面展现出了显著的优势。以双线盾构隧道下穿路基施工为依托,深入对比分析了部件装配法与单元追踪法模拟盾构施工时,计算所得的土体变形、路面沉降、管片内力及计算效率的差异。研究结果表明,两种方法在土体变形、路面沉降、管片内力计算上的差值在5%以内,且单元追踪法可缩短14%的计算时间。鉴于此,在运用ABAQUS模拟盾构隧道施工且研究重点不聚焦部件间详细接触关系时,推荐单元追踪法作为首选方法。

混凝土中爆炸数值仿真算法研究

用AUTODYN动力学软件对装药在混凝土介质靶中爆炸作数值仿真,研究了不同的网格描述方法,以及网格划分方法对计算结果的影响。通过实际算例比较了Lagrange算法和SPH算法以及不同的网格划分细度对靶径向、轴向不同距离的最大冲击压力、靶背过载以及损伤区、炸坑大小的模拟计算结果。分析得到了混凝土介质靶中爆炸问题数值仿真的合适算法,即拉氏算法对炸点近处的较高的最大冲击压力有较好的敏感能力,SPH算法对仿真计算爆坑形态以及抛掷体速度等具有明显的优势。对于算例问题,拉氏算法10mm网格和SPH算法3 mm粒子即可满足一定的计算精度。

基于直接生成法的土石混合体三维随机模型构建与数值仿真研究

通过对土石粒径界限、块石分布规律与粒径分布频度的研究,基于直接生成法建立了土石混合体的三维随机模型,形成了一套较为完整的、操作性强的三维随机模型构建方法。在此基础上,将三维随机模型构建方法与FLAC^(3D)随机建模方法相结合,建立与真实土石混合体具有相同统计规律的有限差分模型,开展室内直剪数值仿真试验研究,获取了不同垂直压力下的剪应力-位移曲线和相应的剪切带分布,探讨了土石混合体的剪切破坏特性与土石相互作用机制。剪切过程中由于土体产生的不同程度的剪切变形以及块石在摩擦作用下发生的水平或旋转运动,导致土石混合体的剪切带表现出明显的不规则和不连续特点,其剪应力-位移曲线具有应变硬化特点。研究表明,三维随机模型能够反映土石混合体的宏观力学性质和细观破坏机制,可作为力学性质研究的有效载体。

带整流负载同步发电机的数字仿真(Ⅰ)——快速数值积分法

针对同步电机外部不对称时的数字仿真计算工作量较大的特点,本文推导並提出了凸极同步电机处于外部不对称运行工况下的一种新的数学模型,并在此基础上提出了快速数值积分法。通过比较,证明快速数值积分法具有较高的计算效率。

SPH法数值仿真三维切削破岩和切削力估算

以Mohr-Coulomb模型描述岩石,在LS-DYNA中用SPH(Smootheed Particle Hydrodynamics)法模拟三维刀齿切削破岩,探讨切削参数和岩石性质对切削力的影响.基于切削力随各切削参数和岩石性质的变化规律,建立切削力估算公式.用所得公式计算切削力,并与实验值进行比较.仿真结果表明:切削厚度、切削前角、切削宽度、岩石的内聚力和内摩擦角对切削力影响显著,切削速度在较低范围内变化时对切削力影响非常小.三维切削仿真能够较好地反映刀齿两侧岩石颗粒对切削的影响,比二维理论模型更接近实际.所得切削力估算公式能准确计算仿真中的平均切向力,且其计算值能与实验吻合较好.验证了基于SPH法的数值仿真用于研究刀齿切削破岩的可靠性.

基于“局部-整体”映射法的焊接装配变形数值仿真

焊接的非平衡加热、冷却过程导致产生焊接应力与变形,而焊接残余变形是影响结构设计完整性、制造工艺合理性和结构使用可靠性的关键因素。本文基于"局部-整体"映射法,模拟了局部模型为T形接头角焊缝的局部塑性应变,并把结果用于薄壁箱形梁的焊接装配变形数值仿真,同时对不同焊接顺序产生的残余变形情况进行了分析和探讨,并将预测结果与焊接工艺试验结果进行了对比验证,二者吻合很好,从而为研究焊接顺序对大型焊接结构变形的影响提供了一种方法。

基于声固耦合法的环肋壳水下冲击数值仿真试验

环肋壳是潜艇耐压壳的常见结构形式之一,水下冲击响应分析对潜艇抗水下爆炸设计具有重要意义。利用声固耦合法对由环肋圆筒和2个半球组成的小型潜艇耐压壳简化模型进行水下冲击数值仿真试验,分析环肋壳在水下爆炸载荷作用下的瞬态动力响应。结果表明:该方法在流固耦合面上会形成局部空化,中截面上迎爆面的塑性应变小于背爆源,可为潜艇耐压壳的优化设计提供参考。

采煤工作面底板水双频激电法数值仿真与探测试验

深部煤层开采常遭受底板水害威胁,严重影响煤矿安全高效生产。采用矿井电法实施采场底板岩层富水性探测是煤矿水害防治工作中的一项重点内容,但该方法面临实测电阻率多解性强及异常定位不准的难题。为进一步提高对岩层富水区的判定精度,提出了采煤工作面双频激电(Induced Polarization,IP)全方位探测方法。结合淮南矿区深部A组煤层顶底板地质与地电条件,构建了不同方位的圆柱体富水异常地电模型;以Cole-Cole模型为激电效应基础,采用有限元方法实施了双频激电数值模拟,理论分析了不同异常模型的激电视参数响应特征,其结果表明:①单巷激电视参数表现为低阻高频散异常,曲线“交点”可准确定位异常模型的走向位置,但难以确定异常模型的准确方位。②双巷透视各发射点对应的激电视参数曲线在异常模型附近聚焦,同样表现为低阻高频散异常特征,发射点与异常模型的位置关系决定了视参数曲线形态及性质,接收点与异常模型的位置关系决定了异常幅度大小。激电视参数对面内及巷道底板异常模型的响应幅度大,对面外模型异常响应幅度偏小。为进一步评价激电视参数成像精度,对比分析了双巷透视和全方位数据的三维反演结果,表明单巷测深和双巷透视数据可相互约束,利用全方位方法所得的激电反演结果能精准定位各异常模型,体现了该方法的优越性。工程实践进一步表明,该方法能有效降低电性异常的多解性,大幅提高异常空间定位精度,改善煤层底板岩层富水区的判定效果,为煤矿水害精准防治提供了有力的技术支撑。

高强度钢壳体战斗部爆炸破碎无网格法数值仿真

为研究高强度钢壳体战斗部破碎过程及质量和速度分布特征的数值仿真方法,以"飞鱼"导弹战斗部为例,壳体采用光滑粒子动力学(Smoothed Particle Hydrodynamics,SPH)方法进行战斗部爆炸驱动壳体膨胀及破碎过程的数值仿真,炸药采用Lagrange单元,壳体和端盖采用SPH单元,进行Lagrange与SPH算法耦合实现炸药爆炸驱动壳体破碎。通过选取不同尺寸的SPH粒子分别进行计算,获得破片数随SPH粒子尺寸变化的规律以及战斗部爆炸形成破片的质量与速度分布特征,并对比传统Mott公式和Gurney公式的工程计算结果,得到SPH粒子尺寸为0.25 cm时所建立的仿真模型与工程计算较为吻合。采用经过工程计算验证过的模型进行仿真计算,获得爆炸载荷作用下战斗部壳体各段与端盖的质量和速度分布规律、每个破片的质量与速度分布以及各段形成破片的飞散方向与飞散角。

缝隙结构电磁屏蔽特性数值仿真建模方法研究

以存在缝隙的机箱为例,对基于电磁场有限元法的缝隙仿真建模方法进行研究。阐述了缝隙电磁特性的有限元计算原理,并对单元形状引起误差的原因进行了理论分析;通过对网格划分方法研究,分析了缝隙建模中质量较差单元对求解精度的影响规律,获得了网格数量和求解精度、计算时间、计算规模之间的关系;引入转移阻抗概念,提出了基于转移阻抗的缝隙等效建模法。理论分析和仿真结果表明,该方法可在保证精度条件下大幅减少网格数量,有效缓解网格数量和计算时间、计算规模之间的矛盾。对于工程应用具有重要的指导意义。

基于数值微分法求导的分布式发电系统仿真算法

针对分布式发电系统模型结构灵活多变的特点,采用数值微分求导方法计算隐式积分迭代算法中的雅可比矩阵,进而构造了一种适用于分布式发电系统稳定性仿真的数值积分算法。该算法简化了雅可比矩阵的获取过程且具有并行特征,特别适用于具有变结构特征的系统模型的仿真。算例分析证明了所提出算法的优越性。

消除电力系统故障仿真中数值振荡的方法研究

在电力系统故障数字仿真中,网络结构发生变化时会引起非状态变量的突变,进而有可能造成非原型的数值振荡.基于数值振荡是电力系统数字仿真领域中一个长期困扰的问题,本文运用实例,深入研究分析了数值振荡问题产生的根本原因,就抑制数值振荡问题的方法进行了理论分析,并以电路实例进行了仿真计算.理论推导和实际算例都表明,阻尼法计算精度高、消除数值振荡的优点突出,计算量也不大,在实际数字仿真中可以广泛的应用.

动态相量法仿真中的数值振荡及消除

在电力系统的机网暂态数字仿真中,故障和操作引起的网络结构变化将导致数值计算中产生数值振荡。对动态相量法产生振荡的机理进行了分析,提出一种新的能有效消除数值振荡的算法——基于临界阻尼调整法的动态相量法。该方法在动态相量域内对元件进行建模,并结合临界阻尼调整法,以保持友模导纳不变,同时达到保持计算精度和消除数值振荡的目的。以RL支路为例推导了该算法的数学模型,并通过与理论计算值的比较,证明了该算法是有效的,适合于较大系统的仿真。

紫坪铺泄洪洞穿越断层段新奥法设计与数值仿真分析

本文基于新奥法的基本原理 ,对紫坪铺水利工程 1 # 泄洪洞穿越 F3断层段的支护设计方案进行了有限元数值仿真分析和优化设计。分析结果表明 ,按照常规的支护不能保证围岩、支护的稳定。本文经过 4个支护方案的设计与仿真分析 ,提出了较为理想的支护方案 ;该支护方案已为工程实际所采用 ,取得了良好的实际效果。

城市轨道交通项目建设时序的Monte Carlo和AHP法仿真

城市轨道交通的规划、建设、运营是一脉相承的,新线的开通建设对既有线会产生一定程度的影响,在既定规划的基础上建设时序的合理化能使新线与既有线间形成良好的衔接,对于优化城市轨道交通行车组织、提高网络化运营服务质量是一个至关重要的环节。构建了城市轨道交通项目建设时序的评价指标体系,在分析传统AHP(层次分析)方法特点的基础上,考虑评价决策的随机不确定性,应用Monte Carlo和AHP仿真的方法以确定项目建设时序,并通过条例演示了具体应用过程。

SPH法切削破岩数值仿真

借助LS-DYNA计算软件,用SPH法求解偏微分方程进行切削破岩数值仿真,并以不同切削参数的切削破岩实验为原型进行计算,得出切削力与实验结果进行对比。数值仿真结果与实际相符,刀齿附近岩样单元应力和塑性应变均最大,切削过后岩样上形成切削槽,两侧存在破碎角,比以往数值仿真更接近实际情况,且破碎角大小与剪胀角有密切关系。大量仿真结果显示,计算所得切向力无论变化规律还是数值均与实验吻合较好,尤其是平均切向力,证实了SPH法仿真切削破岩的可行性,为切削破岩研究提供了一种新方法。