Voronoi-RBSM耦合的混凝土细观建模方法研究

为解决已有混凝土细观数值模拟方法计算效率低、对象尺寸受限的问题,提出一种基于Voronoi网格拓扑和刚体弹簧模型(RBSM)的混凝土细观建模新思路。该模型将混凝土视为由骨料、水泥砂浆组成的二相材料,骨料通过Voronoi单胞描述,视为刚性体,水泥砂浆简化为Voronoi单胞交界面的均布弹簧,弹簧刚度依据局部砂浆的实际情况自动定义。无需对骨料和水泥砂浆进行网格细化,可大大减少单元数量,允许Voronoi单胞在界面处侵入和分离,描述混凝土的变形、开裂等。为验证该文模型的有效性和适用性,开展了室内试验与数值模拟的对比研究,并分析了骨料占比等参数的敏感性。结果表明:基于Voronoi-RBSM的混凝土细观模型,可以较为高效、准确预测混凝土构件在加载过程中细观力学响应,对于尺寸较小的混凝土试件、尺寸较大钢筋混凝土简支梁均有较好的细观模拟效果,尤其是当网格尺寸与骨料平均粒径接近时,预测结果与试验结果最为接近。此外,模型的预测精度受骨料体积占比影响,骨料体积占比越小精度越低,因此,并不适用于浆体占比高的混凝土材料细观数值模拟。

三维机织复合材料的连接性能与失效机制

为了研究织物结构对三维机织复合材料连接性能的影响,设计了多层多向机织结构和层联机织结构复合材料,建立了开孔连接结构宏细观耦合分析模型,揭示了三维机织复合材料连接失效机制。研究表明:±45°纱所占的比例对复合材料机械连接的挤压强度具有重要影响,±45°纱线的引入,可以提高承载纱线的含量,能够有效改善孔边的应力集中现象;多层多向机织复合材料主要发生0°纱、90°纱和斜向纱的横纵向的损伤,损伤最初发生在孔边并逐渐扩展且呈对称分布,载荷的传递方向和损伤的传播方向呈现角度的特征。

三角形编织工艺数字化建模方法

三维旋转式编织工艺按角轮缺口数分为三角形、四角形和六角形编织工艺,其中三角形编织工艺研究较少。为探索基于三角形编织工艺的预制体结构,基于Python语言和CATIA开发编织工艺软件,获得预制体几何结构。角轮和交换轮交替旋转,驱动携纱器在底盘中运动,使纱线相互交织形成预制体。对角轮、交换轮、携纱器的编号和运动状态进行数字化编码,研究不同旋转状态下携纱器的交换规律。携纱器轨迹与编织节点高度共同确定了织物空间拓扑结构,采用三次B-spline曲线对纱线空间轨迹进行拟合,建立预制体的参数化几何模型。结果表明:采用三角形编织工艺获得的预制体结构紧凑,织物几何模型与试验样件一致性较好,验证了建模方法的精度。

基于离散元法的类岩石材料水力压裂裂缝扩展规律

水力压裂是煤矿井下卸压的重要技术手段,更好地理解裂缝扩展机理对煤层安全开采具有重要意义。为深入探究水力裂缝扩展规律,针对实验室常用的类岩石试件,利用颗粒离散元数值模拟软件MatDEM,建立了二维水力压裂数值模型,开展了不同注液压力增量的水力压裂试验。试验研究了注液压力增量对水力裂缝扩展的影响,揭示了模型起裂机理,从细观尺度分析了裂隙生成及裂缝扩展规律,并对水力裂缝扩展特性进行了讨论。结果表明:①注液压力增量对模型起裂压力与起裂时间变化趋势的影响相反。起裂压力随注液压力增量变大,其增长趋势不断变缓,并逐渐趋近于5.6 MPa。起裂时间随注液压力增量变大不断减小,其减小趋势同样逐渐减缓。②累计裂隙数目随时间呈指数型增长,将水力压裂过程分为4个阶段(Ⅰ~Ⅳ):无裂隙阶段、裂隙缓慢增长阶段、裂隙稳定增长阶段和裂隙急速增长阶段,分别对应模型起裂前、模型起裂后裂缝形成前、主裂缝扩展以及次级裂缝扩展过程。随注液压力增量变大,第Ⅰ、Ⅱ和Ⅲ阶段时长不断减小,第Ⅳ阶段时长呈波动式增长。各阶段裂隙数目关系为第Ⅳ阶段最多,第Ⅲ阶段次之、第Ⅱ阶段最少。③随注液压力增量变大,次级裂缝数目由8条增至16条,裂缝增长速度在第Ⅲ阶段以前逐渐减慢,进入第Ⅳ阶段后不断增快。注液压力增量由0.03 MPa增大至0.70 MPa,裂缝最终长度增大1.79倍。④模型内部能量随注液压力增量的变大而增加,且能量输入速度逐渐变快。模型起裂后,高压水在裂缝尖端形成应力集中,促使裂缝继续扩展延伸。较高注液压力增量下,裂缝扩展速度变快,颗粒位移量由压裂孔至模型外侧逐渐减小。注液压力增量的变大会使次级裂缝形成位置向压裂孔靠近,对主裂缝的形成及扩展起抑制作用,而对次级裂缝的形成及扩展起促进作用,裂隙类型均为张拉裂隙。

负泊松比点阵结构填充薄壁管轴向压缩行为及吸能特性

薄壁填充结构具有轻量化、高比吸能的优点,被广泛应用于航空航天、汽车、轨道交通等工程领域。负泊松比结构在受到冲击时力学性能会逐渐增强,因此本文基于双箭头型负泊松比点阵提出一种新型薄壁填充管吸能结构,通过准静态压缩实验和有限元数值模拟方法研究了新型填充管在压缩载荷作用下的变形失效模式与力学响应。建立了平均碰撞力的理论预测模型,并通过有限元分析验证了模型可靠性,在此基础上研究了负泊松比点阵结构的细观设计参数对填充管抗压缩性能的影响规律。结果表明,填充管在压缩载荷作用下的失效模式为局部屈曲失效,相比于单一薄壁管与点阵结构,填充管具有更好的抗压缩性能;通过参数分析明确了通过增加胞元杆件壁厚和下支撑杆夹角,能显著提高填充管抗压缩性能,这将为后续负泊松比点阵填充结构的抗冲击优化设计提供重要参考。

地形影响的水平相关模型在CMA-MESO中的应用

在背景误差水平相关模型中引入地形作用,研究复杂地形下近地面观测资料同化对分析和预报的影响。CMAMESO三维变分系统中背景误差水平相关关系采用高斯相关模型描述,观测信息在高度追随坐标的模式面上各向同性传播。然而在地形复杂的近地面层,观测信息传播受到山脉阻挡,因而其背景误差协方差非均匀且各向异性,观测信息传播应随地形高度变化。为此,采用美国国家气象中心NMC方法统计复杂地形下背景误差水平相关结构,构建包含地形高度和地形梯度影响的高斯相关模型,并将改进的水平相关模型应用于CMA-MESO三维变分分析。理想试验表明:考虑地形项的水平相关模型方案使观测信息以随地形高度变化的各向异性形式传播,越过大地形观测信息影响明显减弱,分析增量更加合理。我国北方一次强降水过程分析预报试验表明:随地形高度变化的水平相关模型方案使地面观测信息各向异性传播,削弱了大地形处近地面的分析增量,对降水预报略有正贡献。针对华东地区降水过程进行5 d逐小时快速更新分析预报循环试验结果表明,随地形变化的水平相关模型方案对10 m风场和24 h时效内降水预报有正贡献。

小尺寸CT试样断裂行为的GTN细观损伤模型研究

基于国产A508-Ⅲ钢的单轴拉伸测试,构建了Ramberg-Osgood力学本构模型和GTN(Gurson-Tvergaard-Needleman)细观损伤模型,并对模型参数进行了标定,开展了不同温度下小尺寸CT(1/6CT)试样的断裂韧性测试,采用规则化方法计算得到裂纹扩展阻力曲线(J-R曲线),分析了测试温度对材料断裂性能的影响。结果表明,随着温度从-100℃度降低至-130℃,断口韧窝区的宽度由43μm缩减至10μm,平均韧窝尺寸从0.3μm缩小至0.05μm,材料的塑性变形能力随着温度的降低而脆化。基于构建的力学本构模型和GTN细观损伤模型,采用有限元法分析了1/6CT试样从裂纹萌生、扩展至失效断裂的过程。结果表明,J-R曲线随着温度的下降而降低,断裂韧性(J_(IC)值)和裂纹扩展量(Δa)的降幅分别为43%和3%,相对误差不超过5%。这表明,基于GTN细观损伤模型的数值方法是研究小尺寸CT试样断裂行为的一种简便、有效的方法。

CMA-MESO模式对“21·7”河南特大暴雨的预报评估与误差分析

为分析CMA-MESO模式对2021年7月19—21日河南特大暴雨的预报性能,除了常规观测资料,还利用雷达和卫星非常规观测资料,对模拟回波和云产品开展传统和新型空间检验,以揭示对流风暴和中尺度对流系统(MCS,基于卫星红外通道)的模式预报偏差细节,并从降水形成的水汽、动力、触发和维持机制等角度分析模式误差产生的原因。结果表明:模式能较好预报雨带形态、弱回波持续时间以及主要降水发生前期和后期MCS的面积和强度演变趋势;模式偏差主要体现在低估了降水强度且未报出郑州站极端小时降水,错报主雨带小时降水演变,严重低估了对流风暴和强对流风暴的持续时间,未能报出午后MCS面积陡增的变化趋势且MCS位置预报偏西、偏北;模式降水偏差的原因主要在于水汽的模拟,模式水汽垂直分布不合理,对台风烟花和查帕卡的水汽输送均偏弱,而水汽输送不足的根源是低空急流偏弱和超低空急流脉动不足。另外,模式未能在郑州站附近预报出稳定少动的地面中尺度辐合线,加之大气层结不稳定度不足和对流不稳定能量偏低,使得对流发展不够旺盛,最终导致降水预报不足。

江淮地区一次特大暴雨过程预报偏差分析

利用加密自动气象观测站资料、ERA5再分析资料和欧洲中心ECMWF(European Centre for Medium-Range Weather Forecasts)模式、中国气象局CMA-MESO(China Meteorological Administration Mesoscale Model)模式产品,对2020年7月17—18日江淮地区一次特大暴雨过程的预报效果进行检验与分析,并对数值模式降水预报出现偏差的可能原因进行了讨论。结果表明:低涡切变和低层急流的共同影响,为强降水提供了充沛的水汽和有利的动力条件。高空干冷空气叠加在低层暖区之上形成的位势不稳定层结和垂直风切变为强降水的发生提供了不稳定条件。17日20时—19日08时CMA-MESO模式逐12 h暴雨、大暴雨以及暴雨以上量级降水的TS评分均优于ECMWF模式,但2种模式对18日08—20时暖区降水的预报结果均较差。CMA-MESO模式预报的降水区域和实况区域重叠面积的比例均显著高于ECMWF模式,预报形态也与实况更为接近。模式对冷空气强度预报偏弱造成了冷切辐合偏北,对中层湿舌的位置预报偏北,水汽强度预报偏弱,与强降水落区预报偏北相对应,可能是降水预报出现明显偏差的原因。

CMA-MESO模式对2020年夏季四川盆地及周边降水预报性能的评估

利用2020年夏季(6~8月)CMA-MESO模式逐日08:00(北京时,下同)起报的12~36 h逐时降水预报数据和地面—卫星—雷达三源融合逐时降水产品,着眼于小时尺度降水特征,细致评估了CMA-MESO对四川盆地及周边地区的降水预报性能。结果表明,CMA-MESO较好把握了夏季降水的空间分布特征,即小时平均降水量和降水频率的大值区位于四川盆地西部、北部和东部的高海拔山区,而降水强度大值区主要位于山脉迎风坡一侧,但CMA-MESO预报的降水量和频率大值区位置较观测偏南。CMA-MESO合理描述了研究区域内降水量和频率峰值时间位相自西向东逐步滞后的特征,能够把握区域平均的降水量和频率清晨主峰、傍晚次峰的双峰形态以及降水强度的单峰特征,但预报的降水日变化位相超前于观测。CMA-MESO预报的逐时降水量均大于观测,明显的降水量预报正偏差发生于夜间(21:00至次日03:00)和午后至傍晚(14:00~20:00),分别由一般性降水(0.1~10 mm h-1)预报偏差和强降水(≥10 mm h-1)预报偏差主导,其偏差大值区分别位于青藏高原东南缘至四川盆地西部和四川盆地以东、以南地区,模式对热力和动力场的预报偏差结合地形的影响是降水量预报偏差的成因。

非规则再生骨料建模及再生骨料混凝土数值模拟

传统再生骨料混凝土(RAC)模型多采用基本几何形状来代表再生骨料(RA)结构,这与实际情况差异较大。本文结合数字图像技术和傅里叶描述法构建了真实的二维骨料数据库,并提出了基于骨料叠加法随机生成RA的新方法。基于外接矩形框/内切圆的粗判定和基于重叠框的精细判定提出了一种新的适用于傅里叶重构骨料的快速投放算法,实现了不同RA取代率和RA残余砂浆含量的RAC细观结构的构建。基于内聚力模型根据随机生成的RAC的细观结构建立了数值模型,研究了RA取代率和RA残余砂浆含量对RAC单轴抗拉性能的影响。结果表明,RAC的抗拉强度和弹性模量随着RA取代率和RA残余砂浆含量的增加而降低,但峰值应变变化不大。该RA模型更符合实际,且附着砂浆的含量和分布可自主调整。

不同饱和度混凝土静动态力学性能数值模拟研究

本文基于蒙特卡罗方法和Fuller级配理论生成了含孔隙的三维混凝土细观几何模型,采用Mori-Tanaka的复合材料等效化方法将细观模型中的骨料、砂浆和孔隙水材料力学参数属性进行等效化处理.对不同饱和度混凝土进行三轴受压数值模拟,研究了饱和度、应变速率、初始应力等对混凝土三轴受压力学性能的影响.结果表明:相同初始应力和应变速率下,混凝土抗压强度、峰值应变随饱和度的增加呈线性下降趋势,弹性模量随饱和度的增加呈微弱的线性上升趋势;相同饱和度和初始应力下,混凝土抗压强度、弹性模量和峰值应变随应变速率的增加而增大;相同应变速率和饱和度下,随着初始应力增加,混凝土的抗压强度、弹性模量、峰值应变随之增大.

城市中观动态交通仿真建模关键技术应用

应用中观动态交通仿真模型对城市核心区域进行大范围一体化模拟仿真,能够定量化描述和评价不同交通条件下道路网络特征,对于提高路网运行效率、提升大城市服务水平、实现大城市交通精细化治理至关重要。首先,总结中观动态交通仿真模型的特点和使用场景,提出中观动态交通仿真模型的构建方法;其次,围绕模型构建方法,提出融合交通卡口数据的中观交通模型需求计算方法和基于多源数据融合技术的中观模型关键参数估计方法,支撑中观动态交通仿真模型的构建;最后,以武汉市中心城区为例,对提出的建模方法进行验证和校核。结果显示,模型仿真结果较为准确,能够支撑各类建设方案和管理措施的量化评估。

单轴压缩荷载作用下混凝土损伤破坏的细观力学分析

基于伸缩因子函数的变形方法和蒙特卡罗方法,建立了由骨料、砂浆和二者之间的界面过渡区构成的混凝土随机骨料模型。采用有限单元法对混凝土随机骨料模型的抗压强度、应力峰值、应力分布、损伤状态等力学性能进行了数值计算,从细观尺度上分析了混凝土的损伤破坏过程及裂缝形貌特征。结果表明:在单轴压缩荷载作用下,混凝土首先在薄弱区域的界面过渡区处发生拉应力和剪应力集中,产生初始损伤;然后损伤扩展至水泥砂浆,形成贯穿裂缝;最终,导致混凝土承载力失效。

基于Voronoi建模和Cohesive单元的PBX细观力学模型

针对PBX的细观力学模型存在模型结构与真实PBX细观形貌不符、破坏行为描述不全面(仅考虑界面脱粘)、研究对象单一(大多针对PBX-9501)等问题,建立了基于Voronoi建模和Cohesive单元的PBX细观力学模型。首先,基于光学显微镜下的细观结构图,采用Voronoi方法构建了更贴近实际形貌的PBX炸药细观模型;然后,采用内聚力有限元方法在炸药晶体内部、黏结剂内部及炸药颗粒/黏结剂界面处都引入了Cohesive单元,以在二维尺度上实现任意路径破坏行为的模拟;最后,针对某HMX基-F2311黏结剂炸药和某HMX基-F2313黏结剂炸药标定了模型参数,模拟了这两种炸药的准静态拉伸行为。结果表明,两种炸药数值模拟的拉伸变形曲线、破坏应力、破坏应变都与试验数据吻合良好,表明该模型不仅适用于不同PBX炸药材料(线弹性PBX、非线性PBX)的变形行为描述,还可以分析PBX炸药在拉伸破坏过程中的细观机理,刻画不同PBX炸药的裂纹萌生、扩展和贯穿的过程。

基于近场动力学的含细观结构混凝土受压数值模拟

为实现混凝土受压试验的数值模拟,尝试构建一种基于蒙特卡罗方法生成骨料参数,然后以此构建包含骨料、界面过渡区、水泥浆体三相细观结构的键基近场动力学(bond-base peridynamics,BB-PD)数值模拟方法。数值模拟的结果表明,键基近场动力学方法和细观模型两者相结合的数值模拟方法能够描述混凝土受压过程中具体形态和力学特征,初步证明这种结合的有效性,同时也体现了近场动力学方法在裂纹扩展、破坏等不连续力学问题方面上的有效性。

基于断裂相场的高分子黏结炸药裂纹演化及其力学性能退化分析

为了解高分子黏结炸药裂纹演化过程及其力学行为,综合考虑弹性、黏性以及热特性的影响及作用机制,提出了该材料热黏弹性断裂相场模型。基于断裂相场,建立了热黏弹性体的单一单元模型,对不同温度和应变率进行参数分析。然后,针对高分子黏结炸药开展该材料断裂相场的模拟及其模型参数校准。从而基于断裂相场在细观层面上阐明不同应变率、不同环境温度作用下高分子黏结炸药材料的裂纹演化及其力学性能退化的规律。结果表明,驱动断裂的能量和抗压强度随着应变率降低和温度的升高而呈现出减小的趋势,因此裂纹出现的时间越晚,扩展速度越慢。

基于风速和风向序列的风资源中微尺度耦合评估模型

为了准确分析和评估风能资源,为风电项目提供可靠帮助,提出一种基于风速和风向序列的风资源中微尺度耦合评估模型。通过收集和处理风速和风向数据,进行风电场气象参数模拟,模拟风速和风向的变化情况,为风能资源评估提供可靠的数据支持。基于风电场气象参数模拟结果,构建中尺度模型,并将流体力学模型与数字高程模型、植被数据和气象参数结合,对复杂地形条件下的风电场进行三维流动模拟。将中尺度数值模型中得到的风流数据与高分辨率的微观模型相结合,使用相关性订正法对中尺度数据进行修正,以提高风能评估结果的可靠性。工程案例结果表明,该方法下模拟点计算得到的风速与测风塔的风速的差距较小,中微尺度耦合下模拟数据与实测测风塔数据的相关性更高,且该方法的相关系数更接近1,说明其评估结果精度更高,更可靠。

混凝土三点弯曲梁随机骨料模型的开裂模拟

在试验表征及工程实践中,仿真可以准确反映裂缝的发展规律.采用内聚力模型来研究混凝土梁三点弯曲试验的宏观力学性能和细观开裂损伤破坏行为.在三点弯曲试验中的受力破坏的全过程研究中,对I型断裂能、II型断裂能、抗剪强度、抗拉强度及弹性模量(刚度)这5个控制单元开裂的关键参数进行了反演研究.通过宏观力学性能和细观开裂的试验结果,对一组试件的试验结果与参数化模型结果进行逆推分析,得到了控制因素在模拟中适用的参数范围.然后结合不同配合比试件的骨料定量化信息,对3个骨料面积不同的模型,应用已得到的参数范围中值来模拟获得裂缝扩展的定量结果,并对照模拟与试验的力学性能和裂缝量化结果验证参数范围的准确性.

CMA-MESO逐时快速更新同化预报系统及其短临预报效果初步分析

基于CMA-MESO模式水平3 km分辨率3 h循环的快速更新同化预报系统,本文建立逐小时的分析预报循环系统,并且通过采用5种尺度叠加的高斯相关模型和引入各向异性的水平相关尺度方案来改进背景误差水平相关结构,同时考察引入全球大尺度信息方案对逐小时循环的分析和预报影响。通过对2020年7月19日华东强对流天气过程的数值模拟表明:(1)逐小时循环吸收了更多的高频观测资料和循环中采用更临近的1 h预报场作为背景场,分析和降水短临预报质量整体比3 h循环有所提高;(2)在区域分析中逐时引入全球预报场的大尺度信息会削弱区域观测资料的影响,对预报会有不利影响;(3)改进的五种尺度叠加高斯相关模型和各向异性的水平相关尺度主要使风场背景误差水平相关系数的描述更接近样本的统计结果,因而在逐1 h循环中风场分析更靠近观测,华东强对流过程的组合反射率和降水短临预报更接近实况。