無網(wǎng)格自然鄰接點法及其在巖土工程數(shù)值模擬中的應用

以sph算法為代表的無網(wǎng)格方法在爆轟波的數(shù)值模擬中具有明顯的優(yōu)勢,采用sph算法模擬高能炸藥水下爆炸爆轟過程,得到了壓力、速度等時歷曲線.將數(shù)值模擬結果與理論和實驗方法得到的結果進行了對比分析,表明sph算法非常適宜處理高能炸藥水下爆炸的極短瞬時具有大變形和高度非均勻的動力學極端情形,且求解結果已達到了較高的精度。

巖土工程數(shù)值模擬新方法

隨著計算機的發(fā)展及其巖土工程領域應用的不斷深入,巖土工程數(shù)值模擬方法得到了空前的發(fā)展。本文對目前巖土工程數(shù)值模擬方法進行了簡要的介紹和評價,可供相關人員在巖土工程數(shù)值模擬方法時參考。

科技信息 1.引言 近幾十年來，隨著計算機應用的發(fā)展，數(shù)值計算方法在巖土工程問 題分析中迅速得到了廣泛應用，大大推動了巖土（體）力學的發(fā)展。在巖 土（體）力學中所用的數(shù)值方法主要有以下幾種：有限差分法、有限元 法、邊界元法、加權余量法、半解析元法、剛體元法、非連續(xù)變形分析法、 離散元法、無界元法和流形元法等。下面就對這些方法進行簡要的介紹 和分析。 2.有限差分法 有限差分法是一種比較古老且應用較廣的一種數(shù)值方法。它的基 本思想是將待解決問題的基本方程和邊界條件近似地用差分方程來表 示，這樣就把求解微分方程的問題轉(zhuǎn)化為求解代數(shù)方程的問題。亦即它 將實際的物理過程在時間和空間上離散，分解成有限數(shù)量的有限差分 量，近似假設這些差分量足夠小，以致在差分量的變化范圍內(nèi)物體的性 能和物理過程都是均勻的，并且可以用來描述物理現(xiàn)象的定律，只是在 差分量之間發(fā)生階躍式

論述了巖土工程數(shù)值模擬的新進展和近年來新出現(xiàn)的數(shù)值模擬方法，重點介紹了無網(wǎng)絡伽遼金法（ｅｆｇｍ）和數(shù)值流形法（ｍｍ）的原理及其在巖土工程中的應用，指出了今后研究的重點方向。

地質(zhì)問題本身的復雜性,使得三維地質(zhì)建模成為制約巖土工程數(shù)值模擬發(fā)展的障礙之一。充分利用工程地質(zhì)勘察的基本資料,根據(jù)所研究地質(zhì)對象的空間形態(tài)和相互關系,以autocad為平臺,借助autolisp二次開發(fā)技術,進行autocad三維地質(zhì)模型的構建。探討了建模過程中關于地表、地層以及軟弱帶等模擬的方法以及奇異單元的優(yōu)化處理技術。最后,將此建模方法應用到實際工程中。結果表明,所建立的模型基本上保存了原地質(zhì)體的信息,在網(wǎng)格規(guī)模一定時充分利用了地質(zhì)體的控制信息,避免了建模過程中不必要的簡化所造成的失真。

激光掃描測繪技術作為新技術的一種被廣泛應用于多個領域之中,它能夠通過目標對象表面的三維坐標得到完整全面的外觀,且重建精度較高,通過對原始數(shù)據(jù)的快速訪問構建出三維數(shù)據(jù)的采集模型.本文將對三維激光掃面技術在巖土工程中的應用以及自動建模方法進行分析.

基于移動最小二乘法近似函數(shù)和以有限元網(wǎng)格作為積分背景網(wǎng)格的無網(wǎng)格法理論,對板料沖壓成形過程進行了數(shù)值模擬,利用罰函數(shù)法引入本質(zhì)邊界條件處理成形過程中的接觸摩擦問題,并將模擬結果與有限元法計算結果進行對比,結果表明:無網(wǎng)格伽遼金法的計算結果與有限元法計算結果基本吻合,無網(wǎng)格伽遼金法作為新興的數(shù)值計算方法,具有前后處理簡單,精度高等特點,為板料沖壓成形的數(shù)值模擬提供了一種有效的新方法。

采用無網(wǎng)格算法對二維非定常膛口流場進行了數(shù)值模擬.將膛口計算域進行點云離散,采用曲線擬合計算傳播導數(shù),用hllc格式計算數(shù)值通量,運用龍格庫塔法時間推進,得到了一系列隨時間順序的數(shù)值計算結果,描述了膛口流場的形成發(fā)展過程,清楚地顯示了流場波系結構的變化并對其進行了分析.計算結果與文獻及實驗結果相符,表明該數(shù)值計算方法可行,并且具有很好的激波捕捉能力和激波分辨率.

自然單元法采用無網(wǎng)格的思想全域構造插值函數(shù),它的求解精度高,計算時間少,可準確地施加邊界條件,兼具有無網(wǎng)格法和有限單元法的優(yōu)點和特點,是一種理想的用于巖土及地下工程分析計算的數(shù)值方法。文中簡要地介紹了自然單元法的基本理論,并針對巖土及地下工程問題特點,給出了一種無網(wǎng)格離散點的全自動布置方法。

基于非結構網(wǎng)格對翼型表面的積冰進行了數(shù)值模擬研究.通過求解氣體歐拉方程得到翼型的繞流流場,使用穿透型壁面邊界模擬水滴對翼型表面的撞擊,采用迭代法對水滴控制方程進行數(shù)值求解,得到翼型表面的水滴收集特性;采用不同的積冰凍結模型模擬霜冰和明冰的凍結過程;利用冰層時間推進法模擬積冰過程,基于積冰法向生長假設生成積冰外形.對naca0012翼型霜冰和明冰的結冰情況進行了預測研究,通過將冰形預測結果與實驗結果進行對比說明所提出的積冰模擬方法是有效的,最后分析了積冰對翼型氣動特性的影響.

從數(shù)值模擬實驗的基本原理和典型實驗案例介紹巖土工程問題分析中常用的數(shù)值模擬實驗方法.通過對傳統(tǒng)分析方法與數(shù)值分析方法的對比分析,總結數(shù)值模擬實驗的特點及適用范圍.參數(shù)的選擇和對比是目前數(shù)值模擬實驗在實際應用中遇到的主要問題,針對上述問題提出了多種數(shù)值模擬方法綜合應用的解決思路.數(shù)值模擬實驗在與地質(zhì)力學模型實驗及現(xiàn)場工程結合驗證方面有廣泛的應用前景,是解決巖土工程問題的有效工具.

從數(shù)值模擬實驗的基本原理和典型實驗案例介紹巖土工程問題分析中常用的數(shù)值模擬實驗方法.通過對傳統(tǒng)分析方法與數(shù)值分析方法的對比分析,總結數(shù)值模擬實驗的特點及適用范圍.參數(shù)的選擇和對比是目前數(shù)值模擬實驗在實際應用中遇到的主要問題,針對上述問題提出了多種數(shù)值模擬方法綜合應用的解決思路.數(shù)值模擬實驗在與地質(zhì)力學模型實驗及現(xiàn)場工程結合驗證方面有廣泛的應用前景,是解決巖土工程問題的有效工具.

柵格翼是采用一種蜂房結構設計的升力面和控制面,和傳統(tǒng)舵面相比具有鉸鏈力矩小、能在較大攻角下保持升力等特點,并得到了越來越廣泛的應用。由于柵格尾翼的特殊結構,網(wǎng)格生成具有很大的難度。本文采用了結構、非結構混合網(wǎng)格的辦法,在彈體和柵格翼的物面附近區(qū)域,生成適合粘性計算的大長寬比的結構網(wǎng)格,彈體網(wǎng)格和柵格翼網(wǎng)格之間采用非結構網(wǎng)格進行填充,滿足非結構網(wǎng)格和結構網(wǎng)格交接面的完全對接。本文基于結構/非結構網(wǎng)格體系采用有限體積方法求解ns方程,對不同舵偏角下的柵格翼構形進行了數(shù)值模擬,并通過實驗結果對數(shù)值方法進行了驗證。

隨著計算機技術的發(fā)展,數(shù)值模擬方法已經(jīng)成為解決巖土工程難題和進行巖土相關科研的一種不可或缺的手段。因此,數(shù)值模擬已逐漸發(fā)展成為研究生和高年級本科生的一門必修課程。本文首先分析了數(shù)值模擬的特點以及在巖土工程實踐和科研中重要性,總結了當前數(shù)值模擬教學存在的問題,針對該問題提出了一種\"目標+問題+啟發(fā)\"式的教學方法,最后以通用離散元軟件(udec)教學為例,闡明了本文所提教學方法的實施途徑。

土工網(wǎng)格是在土工格柵平面結構的基礎上發(fā)展起來的三維加固系統(tǒng)。自８０年代法國研制開發(fā)以來至９０年代美國軍工用于沙漠風暴中的公路、機場路施工，短短十余年時間，在世界各地均有不同程度的應用。我國在塔克拉瑪干沙漠腹地進行首次應用，取得了明顯的經(jīng)濟及社會效益。

無網(wǎng)格法是一種新興的數(shù)值計算方法,具有獨特的性質(zhì)。簡述了無網(wǎng)格法的理論基礎及其所具有的優(yōu)勢,詳細介紹了幾種常用的無網(wǎng)格算法,并以移動最小二乘近似法為重點,對無網(wǎng)格法中的形函數(shù)構造作了詳細論述。最后,分析了無網(wǎng)格法在小尺度封閉空間聲場數(shù)值計算中的應用。

為了解決流固耦合問題中的物體大幅度運動帶來的困難,采用ale(arbitrarylagrange-euler)動網(wǎng)格方法跟蹤自由表面上浮體的運動。計算表明:浮體在無粘流體中的垂蕩與彈簧-物體的振動模型理論解符合得較好;浮體在粘性流體中的自由橫搖為阻尼運動,其橫搖角度隨時間的增加而減小,且在不同初始角度下運動系統(tǒng)的固有周期相當。在有外力力矩激勵時,外力力矩的周期與系統(tǒng)的固有周期相當時浮體橫搖運動趨于共振狀態(tài),運動幅度最大。計算結果驗證了計算程序的可靠性與精度。本文方法為ale方法應用于流體-多浮體耦合運動分析奠定了基礎。

提出了一種基于顆粒接觸的無網(wǎng)格方法（pcmm）,并編制了相應的c＋＋程序,解決了有限元等網(wǎng)格類方法在模擬邊坡失穩(wěn)滑動過程中的網(wǎng)格畸變問題。該方法利用顆粒離散元中的接觸拓撲創(chuàng)建連續(xù)介質(zhì)單元,通過顆粒的運動演化實現(xiàn)連續(xù)介質(zhì)單元的自動刪除及重建,通過在連續(xù)介質(zhì)單元中引入考慮應變軟化效應的mohr-coulomb模型及最大拉應力模型,實現(xiàn)邊坡的彈塑性分析及失穩(wěn)滑移過程的模擬。利用pcmm分析了均質(zhì)邊坡的彈塑性場、沙堆的形成過程及土質(zhì)邊坡的失穩(wěn)過程。計算結果表明,pcmm在小變形下具有足夠的精度,且在模擬材料大變形方面具有明顯優(yōu)勢,是一種模擬邊坡成災范圍的有效方法。

在結構焊接數(shù)值模擬中,運用熱彈塑性有限元方法進行分析的主要問題是計算時間長、內(nèi)存需求大。由于熱影響區(qū)具有高度的非線性特征,溫度、應力應變梯度較大,單元應當劃分得很細;而遠離焊縫的絕大部分區(qū)域仍然處于線彈性狀態(tài),單元可劃分得相對較粗。這樣就可對焊接構件不斷進行網(wǎng)格重新劃分,使細密的網(wǎng)格隨著熱源一起移動,從而減少計算的規(guī)模。研究了三維六面體網(wǎng)格重劃分技術,進行不同網(wǎng)格之間的變量映射,實現(xiàn)模型網(wǎng)格重劃分前后分析步的銜接。對平板和圓管的焊接分別進行了網(wǎng)格重劃分和完整網(wǎng)格模型條件下的數(shù)值模擬,提取了焊接溫度、焊接變形和殘余應力。結果表明,網(wǎng)格重劃分技術在保證計算精度的前提下,提高約30%的計算效率。

簡要介紹了sa算法的形成、優(yōu)點、應用范圍等基本情況,具體闡述了sa算法在巖土工程中應用的理論基礎,結合具體實例探討了sa算法在巖土工程相關學科中的應用及研究成果,并得出了有益的結論和提出相關建議,以指導實踐。

針對有限元法等傳統(tǒng)數(shù)值計算方法存在受單元網(wǎng)格限制、前后處理工作復雜的問題,提出應用一種數(shù)值計算方法——無網(wǎng)格伽遼金法,對具有簡單邊界條件的水利水電工程施工導流的恒定二維淺水流動問題進行了分析、計算.同時利用有限元法進行了對比計算,從流速、水位的計算結果來看,兩種計算方法結果相近、誤差較小,表明采用無網(wǎng)格伽遼金法解決此類問題是可行的.