面向船体结构动冰载荷监测的线性形函数识别方法研究EI北大核心CSCD

船体结构冰载荷监测系统中的载荷识别算法是对船舶在冰区安全运行进行实时评估的关键环节,而常用的影响系数矩阵法尚未考虑冰载荷的动力效应。在时域内将动冰载荷离散为诸多时间元,在每个时间元内利用线性形函数的组合形式逼近构造动冰载荷;通过结构的动力响应分析得到形函数的响应矩阵,并以此建立船体结构冰载荷识别的正问题。利用共轭梯度最小二乘迭代型正则化算法和终止迭代准则对冰载荷识别问题中的不适定性进行控制。该数值算例和试验验证均表明,该冰载荷识别模型具有良好的识别精度、求解速度及稳定性。     

渤海海冰动力学的质点网格法数值模拟

为准确计算渤海海冰的动力过程，本文将质点网格方法(Particle—in—cell，简称PIC)，引入到渤海海冰数值模拟中。该方法首先在欧拉坐标系下对海冰动力方程和连续方程进行差分求解，并插值出各网格内海冰质点的速度和密集度，然后在拉格朗日坐标系下对海冰质点的位移和各网格的平均冰厚进行确定。PIC方法将欧拉法与拉格朗日法相结合，避免了欧拉坐标下有限差分法的数值扩散和拉格朗日坐标下光滑质点流体动力学计算量大的缺点。在对渤海海冰动力过程的数值模拟中采用了Hibler的粘塑性本构模型，并考虑了海冰热力作用过程。利用PIC方法对辽东湾海冰进行了48h数值模拟，结果表明：该方法可成功地处理海冰流变过程，精确计算出冰缘线位置和海冰分布状况，对海冰厚度和密集度的计算精度均优于有限差分法。PIC方法在精确模拟海冰的重叠和堆积过程，以及为冰区油气作业提供详实的海冰信息方面都有良好的应用前景。     

块石空间分布对土石混合体边坡稳定性的影响

土石混合体是自然界中分布广泛的一种地质材料, 受组分多样性, 块石粒径大小不一和块石空间分布位置随机等因素的影响, 其物理力学性质十分复杂。在土石混合体边坡的稳定性分析中, 以往大多将其简化为均匀地质体结构而不考虑块石的影响。该文采用有限元强度折减法, 对土体和四种不同类型块石分布的土石混合体边坡分别在自重状态(准静态)和打桩作用(动态)下的稳定性进行了分析, 探讨了块石空间分布对剪切带和边坡稳定性的影响。计算结果表明, 土石混合体边坡内的剪切带具有明显的绕石效应, 位于土石混合体边坡内部不同位置处的块石对边坡稳定性产生的影响不同。     

破冰船引航下极地船舶结构冰荷载的离散元分析

采用破冰船引航的方式可有效保障商船在极地冰区的航行安全。通过基于闵可夫斯基和原理的扩展多面体构造任意形态的海冰单元，同时发展基于扩展多面体单元的粘结失效模型模拟海冰的破碎过程，从而建立基于扩展多面体的离散元方法。采用扩展多面体离散元方法模拟船舶冰区航行过程中的船-冰相互作用，并分析船舶结构上的冰载荷。根据“雪龙号”船体结构模型，采用扩展多面体离散元方法模拟了单船破冰条件下的冰荷载，通过船舶抗冰设计中常用的冰阻力Lindqvist公式和Riska公式校核离散元计算结果。对比结果表明，扩展多面体离散元方法与相关公式计算结果相近，对船舶结构冰荷载的模拟精度较好。采用离散元方法计算了引航条件下破冰船和货船上的冰荷载，分析不同航速和船宽比条件下两船上的冰阻力大小和特点。扩展多面体离散元方法可有效用于船舶结构的冰荷载分析，其计算结果可为冰区船舶设计和航行安全提供重要参考。     

渤海海冰的重叠长度分析

基于渤海海冰现场观测资料,分析了重叠冰的基本特征;综合考虑海冰重叠过程中的屈曲破坏和挤压破坏模式,建立了计算一维重叠冰和二维指状冰重叠长度的力学模型,并依此对不同冰厚条件下的海冰重叠长度进行了计算.结果表明:海冰重叠长度主要由海冰屈曲破坏条件来决定;在相同冰厚条件下,指状冰的重叠长度约为一维重叠冰的1/2左右.     

粘弹-塑性海冰动力学本构模型中的Drucker-Prager屈服准则

针对中小尺度下海冰动力作用过程中的漂移和堆积特征,在粘弹-塑性海冰动力学本构模型中引入了Drucker-Prager(D-P)屈服准则。该模型在海冰屈服前采用Kelvin-Vogit粘弹模型,屈服后采用相关联的正则流动法则。采用该模型对规则海区内的海冰堆积过程进行了数值试验,计算的海冰堆积高度与其解析解一致。另外,在对渤海海冰动力过程中的海冰厚度、密集度、速度以及冰内应力进行的48小时数值模拟中,计算的冰厚分布与卫星遥感资料相符合。基于D-P准则的计算结果与Mohr-Coulomb(M-C)准则的结果相一致,但D-P准则克服了M-C准则计算塑性应力时的奇异现象,进而简化了计算过程。在以上数值模拟中,均采用了光滑质点动力学计算方法。以上数值计算均验证了基于D-P屈服准则的粘弹-塑性本构模型在海冰动力学中的可靠性。     

道砟胶固化道床力学特性的离散元分析

为探究道砟胶的使用对有砟轨道道床的影响规律,采用镶嵌式组合颗粒单元构造道砟颗粒,根据相关文献确定道砟胶的黏结模型和刚度模型,利用单轴压缩试验和三点弯曲试验确定道砟胶固化道床的细观力学参数,基于离散元法对道砟胶固化道床开展数值模拟,系统分析道砟胶用量和加胶深度对道砟胶固化道床力学特性的影响。模拟结果表明：随着道砟胶加入量的增大,道床的累积沉降量减小且累积沉降量的振幅减小,道床的刚度逐渐增大且增大趋势逐渐趋于平缓;当道砟胶加入量为48 kg/m3时,道床的累积沉降量最小且刚度最大;随着道砟胶加入深度的增大,道床的累积沉降量减小且累积沉降量的振幅减小,道床的刚度与道砟胶加入深度呈线性关系;道床全部加入道砟胶时道床的沉降量最小且刚度最大。     

辽东湾区域性漂移海冰的SPH数值模拟

在海冰动力过程的数值模拟中引入SPH法，采用Hibler的粘塑性海冰本构方程，并考虑海冰的热力过程，对辽东湾海域区性漂移海水进行了96h数值模拟，计算结果与海冰的实际演化过程吻合，分析表明，海冰内力对冰速、冰厚和密集度的分布有较大影响，在区域性在海冰数值模拟中应予以考虑。     

面向环境力学的离散元分析软件研发和工程应用

离散元计算分析软件对解决环境力学中的离散介质问题有至关重要的作用.针对环境灾害中的非规则颗粒单元,以圆球颗粒为基本单元,分别构造镶嵌组合单元、黏结组合单元、扩展圆盘单元和扩展多面体单元等,并在此基础上开发基于球形颗粒离散元方法的分析软件(Software of Spherical Particle-based Discrete Element Method,SDEM).该软件可模拟碎冰、岩石和道砟等颗粒材料的力学行为,能直观展现这些力学过程的发生、发展和演化;基于GPU的并行计算实现离散元大规模计算的高效性.对SDEM软件在地质灾害、工程海冰和铁路道床等领域的应用进行介绍.     

基于扩展多面体单元的DEM-SPH耦合算法及应用

对于颗粒材料与流体介质的动力作用可分别通过离散元方法(Discrete Element Method, DEM)和光滑粒子流体动力学方法(Smoothed Particle Hydrodynamics, SPH)模拟颗粒和流体,并采用DEM-SPH算法计算两种介质间的耦合作用。当颗粒材料采用多面体单元进行模拟时,颗粒单元与流体之间会形成几何形状复杂的流固耦合界面,不宜采用计算效率较低的传统边界粒子方法。为此,该文基于Minkowski Sum方法构造扩展多面体单元,并通过Hertz接触模型计算单元间的接触力,进而建立基于扩展多面体单元的DEM方法;流体介质采用弱可压缩格式的SPH方法。将几何复杂的流固界面耦合作用近似为排斥力模型,从而只对SPH粒子与固体界面进行几何判断即可确定两者的相互作用力。该方法避免了对大量边界粒子进行的相关计算,具有计算简便且适用于复杂固体边界的优点。该文进一步采用基于GPU的并行算法从而实现DEM和SPH的高性能计算以提高DEM-SPH耦合的计算效率。采用以上方法对方柱绕流和溃坝冲击块体过程进行了数值计算,并与相关试验数值和计算结果进行了对比验证,一致性很好,进而说明了该文建立的DEM-SPH耦合方法对颗粒材料与流体介质相互作用数值模拟的合理性和准确性。