基于DEM-FEM耦合方法的碎屑流对桥墩最大冲击力的影响因素研究

碎屑流是我国山区最危险的地质灾害之一,山区桥墩常受到碎屑流冲击而开裂、倾斜甚至倒塌,给山区桥梁建设、运营带来严重的安全隐患。采用离散元方法(discrete element method,DEM)和有限元方法(finite element method,FEM)耦合的三维数值模拟方法模拟了碎屑流对双柱式桥墩的冲击效应,并结合斜槽试验,验证了耦合方法的准确性,进一步分析了碎屑流冲击坡度、距离和体积密度对桥墩冲击力的影响规律。结果表明,最大冲击力与碎屑流冲击坡度、距离和体积密度分别呈幂函数(指数大于1)、幂函数(指数小于1)和线性正相关。冲击坡度、距离和体积密度对最大冲击力的敏感度值分别为3.012、0.202、0.804,在桥梁碎屑流灾害防治时需重视冲击坡度和体积密度的影响。将冲击力的数值模拟值与流体动力学模型预测值对比分析表明,流体动力学模型理论公式能较好地预测桥墩所受的最大冲击力,最大预测误差低于23.6%。相关研究结果可为山区桥梁碎屑流灾害防治与设计提供一定的参考依据。

基于DEM-FEM耦合模型的质量流量对喷丸强化效果的影响

目的提出一种将有限元(FEM)与离散元(DEM)相耦合的新方法,即通过定义关键字的方式在ABAQUS软件内实现DEM-FEM耦合功能,并应用此方法建立喷丸强化模型。方法将弹丸视为等直径刚体,利用刚体动力学模拟弹丸-弹丸和弹丸-靶材之间相互作用以及整个弹丸流。通过建立的DEM-FEM耦合喷丸强化模型研究质量流量对残余应力场和表面粗糙度的影响。结果质量流量对喷丸强化效果有显著影响,最大残余应力随质量流量的增加而减小,由2 kg/min时的–596.77 MPa下降到6 kg/min时的–581.91 MPa;表面残余应力随质量流量的增加先增大后减小,由2 kg/min时的–420.86 MPa增大到4 kg/min时的472.06 MPa,随后减小到6 kg/min时的–450.50 MPa;表面粗糙度Ra随质量流量的增加减小,由2 kg/min时的11.21μm减小到6 kg/min时的9.82μm。设计了喷丸强化实验,对质量流量2 kg/min的结果进行了验证。结论实测值与模拟值吻合较好,所建立的模型可以准确反映实际喷丸强化过程。质量流量对喷丸强化效果具有显著影响。

基于DEM-FEM耦合的环锤式破碎机反击板可靠性分析

由于环锤式破碎机破碎物料的过程是一个极其复杂多变的过程,且与反击板所受的碰撞力是不连续、无规则的,因此,无法使用公式推导或使用单一软件对反击板受力进行计算,为了能够更好地确定破碎机破碎过程中反击板的载荷大小、分布和寿命,文中提出了一种基于离散元(DEM)和有限元(FEM)耦合计算的环锤式破碎机反击板可靠性分析方法,通过EDEM建立环锤式破碎机破碎物料仿真过程,并提取出破碎过程中反击板的载荷分布,与ANSYS Workbench建立耦合计算通道,计算得到在正常工作参数下反击板的受力大小和位置,在此基础上采用n Code Design Life疲劳分析软件对反击板进行寿命分析,得到反击板的受力云图和损伤云图,研究转子转速、反击板倾角、转子与筛板距离等不同因素下对反击板可靠性的影响,结果表明:转子转速为1000 r∕min时反击板的最大受力值为247.9 MPa、反击板角度为60°时应力最大值为206.48 MPa、转子与筛板距离为530 mm时受力最大值为268.37 MPa。

基于FEM–DEM的空心稳定杆内壁喷丸仿真分析

目的建立有限元–离散元耦合的喷丸模型,研究喷丸参数对空心稳定杆内壁残余应力场的影响规律。方法基于ABAQUS有限元分析软件和“先整体后局部”的建模方法,建立26MnB5钢空心稳定杆全段和局部FEM–DEM喷丸模型,并对模型进行残余应力验证。通过局部喷丸模型研究弹丸撞击角度、速度、表面覆盖率和喷丸流量对稳定杆第4弯折处内壁残余应力场分布的影响规律。结果残余应力场分布的实验值与仿真值的误差在7%以内,验证了模型的准确性。随着弹丸撞击角度的增大,最大残余应力和残余压应力层深也会随之增大,并在60°后达到饱和;当弹丸速度为80m/s和100m/s且弹丸数量为1∶1时,表面残余应力和最大残余应力分别约为-926 MPa和-1309 MPa;随着弹丸覆盖率的增大,表面残余应力和最大残余应力均增大,但增幅变缓,在覆盖率为200%后基本达到饱和;随着喷丸流量的增大,表面残余应力和最大残余应力先增大后减小,在1.2kg/min时达到最大值,分别约为-649MPa和-1049MPa。结论基于FEM–DEM的空心稳定杆内壁喷丸模型能够很好地预测残余应力场的分布,该研究为空心稳定杆内壁喷丸工艺的数值模拟提供了研究思路和理论支持。

混凝土搅拌筒CFD-DEM多相流数值模拟与分析

为研究混凝土运输车搅拌筒内的混凝土与骨料颗粒的真实运动情况,采用CFD-DEM耦合的方法,考虑混凝土的非牛顿流体特性及骨料颗粒间的相互作用,对混凝土进料、搅拌、出料过程的混凝土及颗粒运动规律进行数值模拟。通过将出料时间和出料速率数值仿真结果与实验对比,验证了CFD-DEM耦合方法的可行性。将计算流体动力学(Computational Fluid Dynamics,CFD)和离散元(Discrete Element Method,DEM)仿真结果导入ABAQUS中对叶片结构强度进行了分析,结果表明:叶片所受应力远小于材料的许用应力,最大节点位移满足刚度设计要求。最后对叶片的磨损情况进行了分析。

考虑强度速率衰减效应的地震滑坡SPH-FEM模拟

基于SPH和FEM耦合的数值计算方法,引入滑动面摩擦强度的速率衰减模型,提出了一种能够模拟地震诱发滑坡破坏过程的数值模拟方法。基于所提数值方法模拟了唐家山地震滑坡,模拟结果与现场勘查结果及室内试验现象较为一致。基于模拟的滑动面上摩擦系数的演化过程,将唐家山滑坡的发生分为4个阶段:启动阶段、摩擦衰减阶段、低摩擦滑移阶段和逐步稳定阶段。模拟结果表明速度增加和摩擦强度衰减的相互促进,是触发滑体的高速运动的根本原因。提出采用滑体上作用的动摩擦力fd和动下滑力Td的比值R作为判别指标用于判断大型滑坡的启动,当首次出现R小于1时认为滑动面发生整体贯通并出现失稳启动。基于滑动面不同位置摩擦系数的演化,揭示了滑坡启动中滑动面摩擦强度衰减和滑动面的渐进贯通过程,解释了地震作用与滑动面摩擦参数速率衰减效应共同作用触发大型滑坡发生破坏的内在机理。

基于LBM-DEM细观数值模拟的水力诱导覆盖型岩溶地面塌陷发育过程分析

文章以水力驱动的覆盖型岩溶地面塌陷为背景,基于离散元方法和格子Boltzmann方法,采用Bouzidi插值反弹边界格式和动量交换法,建立一种可以从细观角度模拟覆盖型岩溶塌陷的二维格子Boltzmann方法—离散元方法流固耦合模型。在此基础上对承压水下降引起的覆盖型岩溶塌陷数值模拟开展了探索性研究。模拟结果表明:承压水位下降工况中地下水主要对隔水层岩溶开口处的颗粒产生影响,对土洞周围土体产生向下的作用力;土体颗粒的剥落容易造成土颗粒原位置和上方位置处水压的陡降,从而造成较强的水力坡降,使得地下水对内部颗粒作用力陡增,容易引起上方颗粒在地下水作用力和重力作用下失稳,导致从土体颗粒失稳至土层塌陷逐渐加速。研究成果对进一步从细观尺度进行水力驱动的覆盖型岩溶地面塌陷的发育过程与特征研究具有理论及实际意义。

An MPI parallel DEM-IMB-LBM framework for simulating fluid-solid interaction problems

The high-resolution DEM-IMB-LBM model can accurately describe pore-scale fluid-solid interactions,but its potential for use in geotechnical engineering analysis has not been fully unleashed due to its prohibitive computational costs.To overcome this limitation,a message passing interface(MPI)parallel DEM-IMB-LBM framework is proposed aimed at enhancing computation efficiency.This framework utilises a static domain decomposition scheme,with the entire computation domain being decomposed into multiple subdomains according to predefined processors.A detailed parallel strategy is employed for both contact detection and hydrodynamic force calculation.In particular,a particle ID re-numbering scheme is proposed to handle particle transitions across sub-domain interfaces.Two benchmarks are conducted to validate the accuracy and overall performance of the proposed framework.Subsequently,the framework is applied to simulate scenarios involving multi-particle sedimentation and submarine landslides.The numerical examples effectively demonstrate the robustness and applicability of the MPI parallel DEM-IMB-LBM framework.

基于SPH-FEM耦合方法的泥石流冲击输电塔基础的动力分析

泥石流是我国西南山区常见的地质灾害。架空输电杆塔在泥石流的冲击下往往发生基础破坏甚至会造成杆塔倒塌。首先采用光滑粒子流体动力学(smoothed particle hydrodynamics,简称SPH)方法和有限元方法(finite element method,简称FEM)相耦合的三维数值方法模拟了泥石流对杆塔基础的冲击作用;在与相关模型试验结果验证的基础上,开展了不同泥石流密度、黏度系数及初始速度条件下对输电塔基础的冲击力作用的参数分析;研究结果表明:随着泥石流初始速度的增加,冲击力峰值会随之增大;前排基础的冲击力峰值均大于后排基础;泥石流冲击过程特性受到泥石流密度和黏度系数影响。与稀性泥石流相比:黏性泥石流冲击基础后,基础下游真空区相对要小;此外,将数值模拟结果与Kwan冲击力公式及铁二院推荐的冲击压力设计公式预测值进行对比分析可以发现:Kwan冲击力公式能较好地预测出基础所受泥石流冲击力的平均趋势,最大预测误差低于30%,铁二院公式预测的稀性和黏性泥石流的冲击压力平均偏低分别约17%和28%。相关研究结果有望为泥石流频发区域输电塔基础的设计和风险评估提供一定的参考依据。

A particle-resolved heat-particle-fluid coupling model by DEM-IMB-LBM

Multifield coupling is frequently encountered and also an active area of research in geotechnical engineering.In this work,a particle-resolved direct numerical simulation(PR-DNS)technique is extended to simulate particle-fluid interaction problems involving heat transfer at the grain level.In this extended technique,an immersed moving boundary(IMB)scheme is used to couple the discrete element method(DEM)and lattice Boltzmann method(LBM),while a recently proposed Dirichlet-type thermal boundary condition is also adapted to account for heat transfer between fluid phase and solid particles.The resulting DEM-IBM-LBM model is robust to simulate moving curved boundaries with constant temperature in thermal flows.To facilitate the understanding and implementation of this coupled model for non-isothermal problems,a complete list is given for the conversion of relevant physical variables to lattice units.Then,benchmark tests,including a single-particle sedimentation and a two-particle drafting-kissing-tumbling(DKT)simulation with heat transfer,are carried out to validate the accuracy of our coupled technique.To further investigate the role of heat transfer in particle-laden flows,two multiple-particle problems with heat transfer are performed.Numerical examples demonstrate that the proposed coupling model is a promising high-resolution approach for simulating the heat-particle-fluid coupling at the grain level.

基于CFD-DEM方法的饱和砂土场地液化模拟研究

砂土液化是常见的地震灾害,目前应用于研究砂土液化动力特性的室内试验以及模型试验还不能全面反映土体液化全过程。计算流体动力学(computational fluid dynamics,CFD)与离散元法(discrete element method,DEM)耦合模拟方法能够准确地模拟各类水土耦合问题。通过二次开发的CFD-DEM流固耦合模块实现离散元软件PFC3D与计算流体力学软件OpenFOAM之间的力学信息交互,利用颗粒水下自由沉降验证该方法的可行性。利用PFC3D软件模拟室内循环三轴试验标定出具有真实饱和砂土动力特性的数值砂样。根据已有的参数信息以及耦合模拟方法建立了饱和砂土的场地液化模型。模拟结果表明,离散元法能够复现室内砂土液化试验,标定参数可应用于场地液化模拟;单颗粒沉降速度与理论解一致验证了CFD-DEM耦合方法的准确性;峰值加速度0.25g下不同深度处土体均会发生液化,液化时超孔压比无法达到1,超孔压累计值由浅层往深层递增;液化后土体强度自下而上逐渐恢复,再固结的场地土体结构呈现均匀化发展趋势。

Computer vision-aided DEM study on the compaction characteristics of graded subgrade filler considering realistic coarse particle shapes

The compaction quality of subgrade filler strongly affects subgrade settlement.The main objective of this research is to analyze the macro-and micro-mechanical compaction characteristics of subgrade filler based on the real shape of coarse particles.First,an improved Viola-Jones algorithm is employed to establish a digitalized 2D particle database for coarse particle shape evaluation and discrete modeling purposes of subgrade filler.Shape indexes of 2D subgrade filler are then computed and statistically analyzed.Finally,numerical simulations are performed to quantitatively investigate the effects of the aspect ratio(AR)and interparticle friction coefficient(μ)on the macro-and micro-mechanical compaction characteristics of subgrade filler based on the discrete element method(DEM).The results show that with the increasing AR,the coarse particles are narrower,leading to the increasing movement of fine particles during compaction,which indicates that it is difficult for slender coarse particles to inhibit the migration of fine particles.Moreover,the average displacement of particles is strongly influenced by the AR,indicating that their occlusion under power relies on particle shapes.The dis-placement and velocity of fine particles are much greater than those of the coarse particles,which shows that compaction is primarily a migration of fine particles.Under the cyclic load,the interparticle friction coefficientμhas little effect on the internal structure of the sample;under the quasi-static loads,however,the increase inμwill lead to a significant increase in the porosity of the sample.This study could not only provide a novel approach to investigate the compaction mechanism but also establish a new theoretical basis for the evaluation of intelligent subgrade compaction.

基于多分散非球颗粒CFD-DEM的沉积物排放扩散特性研究

为从颗粒及流场尺度探究沉积物颗粒在水流作用下的悬浮与扩散机制,在离散元中引入高斯曲率模型表征非球颗粒非线性接触特性,并改进非球颗粒的拖曳力模型及孔隙模型,建立了多分散非球颗粒CFD-DEM流固耦合数值方法;通过与物理模型试验对比,验证了该方法的有效性与优越性;随后对沉积物在水流作用下的悬浮扩散过程进行模拟。研究结果表明,沉积物沉降率与颗粒入流量成正相关,与流速成负相关;而逸出率与沉降率呈相反趋势;在高初始排放量下,颗粒团簇效应促进流体动能耗散,颗粒所受重力作用超过惯性力作用,颗粒快速沉降;在低初始排放量下,较高流体动能促进颗粒水平向输运;在流速较小情况下,颗粒形状对沉积物的空间分布影响不可忽略。

基于解析法CFD−DEM的烧结矿立式固定床气固接触特性

烧结矿与冷却气体充分接触是实现烧结矿立式冷却工艺的关键.采用解析计算流体力学−离散元法(CFD−DEM)方法对烧结矿立式固定床的气固接触特性进行了研究,主要模拟了非规则烧结矿在固定床内的堆积过程,并采用浸没边界法和动态网格细化技术获得颗粒表面的流场信息.结果表明,双粒径均匀混合料床的平均空隙率主要取决于小粒径颗粒,大粒径颗粒主要影响料床的大空隙结构及分布.“A型”偏析(中心区域堆积小粒径颗粒,近壁面区域堆积大粒径颗粒)料床压降显著低于均匀混合料床,但颗粒与气体接触不充分;“B型”偏析(偏析方式与“A型”相反)料床兼顾了低压降和气固充分接触的特点.料床实验压降与模拟压降随气体表观流速的变化趋势保持一致,验证了解析CFD−DEM方法的准确性.

基于DEM-FEM耦合的圆锥破碎机运动特性研究

针对圆锥破碎机工作性能研究认识的不足,构建了圆锥破碎机系统三维模型,采用离散元法(DEM)与有限元法(FEM)耦合技术,利用多面体模拟矿物颗粒,并对破碎过程中破碎腔的受力状态进行运动学仿真。分析结果表明:矿物颗粒在破碎腔破碎过程中,动锥及偏心轴承受较大力,较容易磨损;在不同转速下,动锥转速与矿物颗粒的破碎比和破碎效率呈负相关;同时分析了动锥转速和轧臼壁变形量之间的关系。为圆锥破碎机参数优化提供参考。

基于FEM-MEI和正余弦算法的二维电磁成像方法

针对二维介质目标的电磁成像问题,将正余弦算法(Sine Cosine Algorithm,SCA)与有限元方法(Finite Element Method,FEM)和不变性测试方程(Measured Equation of Invariance,MEI)进行结合提出一种新的成像方法。将FEM与MEI进行结合求解二维介质目标的电磁散射正问题,即求解Helmholtz方程。其中,MEI保证边界截断的精度,FEM适用于复杂介质目标的准确模拟。对于电磁散射逆问题,引入SCA并加以改进提出一种新的重构方法。该方法采用等效原理与格林函数的渐近式求得远区散射场,以测量的散射场和计算的散射场最大偏差为目标函数,采用改进的SCA优化介质参数,使目标函数达到最小值,以此重构散射体。为提高计算效率,采用MPI算法进行并行计算。文中采用基准函数展示了改进的SCA算法的快速收敛性,并采用非规则的均匀介质柱目标验证了成像方法的正确性。

不同DEM分辨率下山西省数字河网阈值分析

【目的】为了探讨不同分辨率DEM数据下河网提取的最佳集水面积阈值,以及阈值对流域水文信息的影响,【方法】以山西省为研究区域,基于四种分辨率(12.5、30.0、90.0、1000.0 m)的DEM数据,利用Arc GIS提取河网并划分流域,采用河网密度法及与实际河网叠加分析,确定最佳阈值,并探讨阈值对流域水文信息的影响。【结果】结果显示:(1)12.5 m DEM下,当阈值大于10.000 km^(2)时,河网级别、河道数、各级河道长均趋于稳定,河网分为6级,与实际河网分级相同,当阈值为18.750 km^(2)时,河道总长约29024 km,接近实际河网。(2)四种分辨率最终确定的最佳阈值分别为18.750 km^(2)、22.500 km^(2)、28.350 km^(2)、40.000 km^(2),提取河网与实际河网最为接近。【结论】结果表明:(1)随着阈值增大,河网变稀疏,河源数、河道数、河道总长呈现不同程度的减少,阈值过大会导致主要河道缺失,河网长度缩短,无法准确地呈现出河网情况。(2)河网提取受DEM分辨率的影响较小,而受阈值影响较为明显。(3)与90.0 m和1000.0 m分辨率的DEM相比,12.5 m和30.0 m分辨率的DEM在最佳阈值范围内提取的河网与实际河网吻合度更高,因此更准确的河网信息需要较高分辨率DEM提供。(4)阈值对流域划分有较大影响,随着阈值的增大,子流域数量减少,子流域面积增大,子流域边界变得更为简单,总流域面积反而减少。因此,在选择最佳阈值时,需根据实际应用目的进行确定,并进行对比修正。不同分辨率的DEM数据需要采用相应的最佳阈值来提取河网,以保证提取结果与实际情况最为接近。

Galerkin-based quasi-smooth manifold element(QSME)method for anisotropic heat conduction problems in composites with complex geometry

The accurate and efficient analysis of anisotropic heat conduction problems in complex composites is crucial for structural design and performance evaluation. Traditional numerical methods, such as the finite element method(FEM), often face a trade-off between calculation accuracy and efficiency. In this paper, we propose a quasi-smooth manifold element(QSME) method to address this challenge, and provide the accurate and efficient analysis of two-dimensional(2D) anisotropic heat conduction problems in composites with complex geometry. The QSME approach achieves high calculation precision by a high-order local approximation that ensures the first-order derivative continuity.The results demonstrate that the QSME method is robust and stable, offering both high accuracy and efficiency in the heat conduction analysis. With the same degrees of freedom(DOFs), the QSME method can achieve at least an order of magnitude higher calculation accuracy than the traditional FEM. Additionally, under the same level of calculation error, the QSME method requires 10 times fewer DOFs than the traditional FEM. The versatility of the proposed QSME method extends beyond anisotropic heat conduction problems in complex composites. The proposed QSME method can also be applied to other problems, including fluid flows, mechanical analyses, and other multi-field coupled problems, providing accurate and efficient numerical simulations.

基于CFD-DEM方法与多孔介质模型的管式固定床反应器柱状颗粒床层特性研究

使用计算流体力学与离散元法(CFD-DEM)和多孔介质模型分别对管式固定床反应器进行数值模拟,讨论在不同装填方式与管径比条件下,柱状颗粒床层的堆积特性与单位压降变化规律,并对比两种数值模拟方法计算结果的一致性和计算效率。计算结果表明,混合装填方式比单一装填方式更容易使柱状颗粒床层达到稳定状态。在采用单一装填方式且管径比一定时,床层压降会随入口气速增大而增大,在实际应用中应选择合适的入口气速,以防止设备损坏。当采用混合装填方式时,床层截面压力波动显著减小20.63%,床层颗粒堆积更均匀。对比CFD-DEM与多孔介质模型的计算结果与效率,发现当颗粒雷诺数(Re_(p))小于229时,多孔介质模型与耦合算法得到的床层压降最大偏差为6.3%;当Re_(p)从229增大到458时,床层压降的偏差随Re_(p)增大而增大,最大偏差为13.4%,满足工程误差要求。在计算效率方面,使用多孔介质模型计算所需要的时间是CFD-DEM耦合算法的1320。因此,当管径比大于16.58、Re_(p)小于458时,多孔介质模型对于柱状颗粒床层计算的适用性和可靠性更高。

基于DEM-SPH流固耦合的冰区船舶快速性预报

船舶在冰区海域中航行会受到冰水环境阻力的影响,是冰区船舶快速性研究中的重要影响因素。为合理分析冰区船舶的快速性能,该文采用基于离散元(discrete element method,DEM)和光滑粒子流体动力学(smoothed particle hydrodynamics,SPH)方法的流固耦合模型模拟船舶冰区航行过程,获得不同航速下的船舶阻力和推进力,进一步计算出螺旋桨的推力、扭矩以及定速航行所需的螺旋桨转速等参数。为研究船体结构、海冰与海水之间的流固耦合作用,文中通过SPH粒子与固定粒子边界相对运动的拟合项直接计算固体与流体之间的相互作用力,建立船体结构、海冰与海水耦合的DEM-SPH模型,并基于该模型分别对船舶在冰区的航行阻力和推进力进行模拟,通过拟合的方式匹配航行阻力和推进力,并考虑尾部流场导致的船体阻力增额,从而预报船舶在特定航速下实现自航所需的螺旋桨转速。此外,文中还模拟了DTMB 5415船模在浮冰区和层冰区中航行的阻力和不同螺旋桨转速下的推力,对船模在不同工况下实现特定航速航行所需的螺旋桨转速进行了预报。计算结果表明:DEM-SPH耦合模型对船-冰、桨-冰作用中的流固耦合过程模拟效果出色,可完整描述船体及尾部伴流场对海冰的拖曳作用;通过文中所述阻力-推力模拟算例及强制力的拟合分析,所形成的基于数值模拟方法的船舶自航下螺旋桨转速预报,可为进一步的试验验证和工程应用推广奠定基础。