膜结构风振中流固耦合效应的数值模拟研究

对膜结构风致振动中的流固耦合效应进行了数值模拟研究。采用数值模拟方法中的强耦合整体方法,引入伪实体模型,通过伪实体模型方程,流体方程与结构方程的隐式弱形式来构成整个体系的强耦和整体式方程。采用该方法对双坡型膜结构在考虑和不考虑耦合效应下的风振响应等重要参数进行了计算分析,并将计算结果与已有风洞试验结果进行对比,结果符合良好。同时计算了结构周围空气的风速矢量、压力场分布,得到了空气流体场的变化规律。结果表明采用强耦合整体方法计算所得的解具有很好的收敛性,可以较准确地预测膜结构的风致动力响应。     

利用流固耦合模型模拟地震和海啸全过程

海底地震引起的海啸过程在力学上是一个流固耦合问题。地震引起的海底变形会影响流体的运动,流体运动会影响地震引起的海底变形。海啸的数值模拟,通常采用浅水波控制方程,把地震引起的海底变形作为海啸波动的边界条件或初始条件,不考虑它们之间的相互作用。本文采用势流体的流固耦合有限元方法模拟了地震和海啸的全过程。地震过程的模拟与地震位错模型不同,在位错模型中,断层的位错是事先指定的;而在本文中,首先形成自重作用下的初始应力场,然后通过断层材料的突然软化引起的错动,模拟地震震源的动力学过程。模拟结果显示,在海面除了可以看到大振幅的海啸波外,还可以发现体波震相和面波震相。在600 km的海面震中距上,它们要比海啸波早到48分钟,在此处面波的最大平均振幅可达0.55 m,是相同震中距海底面波最大平均振幅的2倍。因此,海啸预警信息在海面可以比在地表更早地得到。海啸波的传播速度在水深3 km的开阔海面是175.8 m/s,它要比理想长波理论预测的大,其平均振幅为2 m,波长可达32 km. 到达大陆架后其速度、波长都减小,在岸边可以激起10 m高的巨浪,水平方向深入陆地达53 m。震中附近海面和地震断层上的最大垂直加速度分别为5.9 m/s2和16.3 m/s2,后者是前者的2.8倍。由此看来,海水是很好的减震器。海啸波的加速度到达岸边会衰减10倍。与加速度不同,海面震中处的振动速度为3.2 m/s, 是海底震源处的1.4倍。震源处的最大位移小于震中海面的最大位移, 其差就是海啸波源的振幅。值得注意的是,海底地震的最大位错在震后23 s达到,不是发生在断层滑动的开始。      

热-流-固耦合方法模拟岩石圈与软流圈相互作用

岩石圈和软流圈的相互作用是现今地球动力学研究的热点问题之一．本文针对岩石圈与软流圈的相互作用模型,开发了新的基于热-流-固三场耦合方法的有限元程序．岩石圈变形和对流的地幔之间的耦合方式为：地幔在热驱动（或运动岩石圈的拖曳）下产生对流,对流的地幔对耦合边界施加载荷并造成岩石圈的变形,变形的岩石圈反作用于软流圈从而影响其地幔对流的状态．温度场根据速度场和网格变形的结果适时调整,如此反复推动整个系统的演化．利用该耦合方法模拟了“地幔柱作用下地表隆升”地质过程, 其结果与实际地质资料和地质认识能很好的吻合,验证了该方法模拟地幔与软流圈相互作用过程的有效性及处理复杂耦合问题的能力.     

基于SiPESC平台的机翼流固耦合分析

基于开放式有限元系统SiPESC. FEMS,构建了机翼流固耦合分析的程序框架。程序框架通过研发流固耦合界面数据交换模块来调用结构和流体分析功能.在流固耦合分析中采用高阶面元法对流体计算以获得飞行器机翼上各点处的压力系数。耦合界面交互采用径向基函数插值算法进行流固两相的载荷和位移的双向插值。进一步通过调用结构分析模块计算结构响应更新结构构型,实现机翼流固耦合整体流程分析。计算过程中各分析模块之间的数据传递均是基于大规模工程数据库SiPESC. ENGDBS来实现的。通过算例测试验证了在SiPESC平台上进行流固耦合分析的可行性。     

超高层建筑风致振动的现场实测与数值模拟

通过采用现场实测和数值模拟方法,对某超高层建筑的风致振动特性进行研究。在建筑物顶部布置结构振动监测系统,对常态风和台风作用下的结构振动响应进行测量,分析加速度、位移幅值和结构的自振特性。以实测动力特性为基础,建立超高层建筑的等效气动弹性模型,采用平均风剖面入口,联合ANSYS和CFX对风场与建筑物的流固耦合振动进行数值模拟,得到不同顶部风速下,建筑物不同高度处的位移时程、气动力系数时程及频谱分析、尾流旋涡脱落模式。将数值模拟结果与现有的实测结果进行对比分析,表明该方法模拟流固耦合振动是可行的,并可为实际超高层建筑的抗风设计和舒适性计算提供技术依据。     

不同注水方式下断层动力学响应数值模拟研究

工业开采注水能导致现存断层活化,从而诱发大量的破坏型地震。因此,研究注水作用下断层的动力学响应对探索诱发地震的力学机理具有重要的意义。本文基于孔弹性弹簧-滑块模型,采用多孔介质弹性耦合数值模拟,计算分析了三类典型注水方式(上升型、迅速上升/下降型和间歇型)对断层稳定性的影响。研究结果表明:随着流体的不断注入,断层内部流体压力会经过缓慢上升、迅速上升和稳定上升三个阶段。针对于不同的注水方式,这三个阶段并不完全相同,体现形式存在差异;在注水方式相同的条件下,储层的渗透率越小,井口附近流体压力越大,断层处流体压力越小,两者间的流体压力差值越大;注水过程中断层临界刚度的变化与是否发生滑移并引发地震密切相关,数值越大越易诱发地震,其数值与注入储层流体的流体压力呈负相关,与流体压力变化率呈正相关;临界刚度由于流体压力变化率的增加在前期呈现快速增长趋势,后期则是由于流体压力的影响开始减小。迅速上升/下降型注水方式极大增加了注水前期诱发地震的可能性,间歇性注水方式在注水后期引起的临界刚度变化值较大,增大了诱发地震的可能性。该研究可以为注水诱发地震的危险性评价提供定量的科学依据。     

温度作用下煤层瓦斯解吸渗流规律数值模拟

如何提高煤层气渗透率是目前煤层气开采研究中的重要课题。基于煤层瓦斯渗流规律数学模型,利用COMSOL Multiphysics软件,对流-固-热耦合条件下的非等温煤层气解吸、渗流变化规律进行了数值模拟。结果表明,在注热条件下,煤层气渗流压力随着温度的增加而下降,且下降速度加剧,压力差越大,气体从高压区域流向低压区域的渗流速度越快。气体在煤层中径向流向井口,井口附近压力的梯度增大,气体渗流速度较快;在未受到加热影响的区域,煤层气不受外加热量影响,煤层气解吸速率保持不变;注热后煤层温度升高,可以加快煤层气渗流速度、提高渗透率、增加煤层气产量。研究成果可为煤层中注热开采煤层气的工程实践提供相应的理论依据。     

多种海啸触发类型的流固耦合数值模拟初步研究

利用有限元流固耦合理论来模拟二维、三维海啸触发阶段的动态过程,将海啸可能的触发类型分离出来独自模拟分析,并解决了触发过程中,流固计算可能失效而面临的问题,从形变图,压强图以及能量图多侧面地表达出流固耦合在海啸触发模拟中的可行性.由于不需要进行浅水波近似,因此所使用的计算方法和结果可推到较广的使用范围.     

非饱和流问题的数值模拟研究

利用有限元方法 ,建立了非饱和土壤水流动的数值计算模型 ,用以模拟均质土壤 ,地下水埋藏很深且在不同的初始和边界条件下的水分运动 .对于入渗或蒸发问题 ,用通常的离散方法容易产生振荡非物理解 .我们采用有限元集中质量法 ,将质量矩阵的非对角元集中到主对角元 ,避免了这种非物理解的产生 ,并且较好地处理了这类边界条件 .     

基于流固耦合动力模型的饱和土体-隧道体系地震反应研究

基于ABAQUS软件平台,应用自行开发的流固耦合动力模型孔压单元模拟场地土体,并通过黏弹性人工边界方法实现地震动的输入,对饱和土体场地中的双孔隧道结构在地震荷载作用下的动力反应进行研究。计算结果表明:在地震反应结束时刻,场地土体位移幅值在两隧道之间以及两隧道的附近区域较大,而远离隧道的区域则较小;场地底部区域土体的孔压幅值较大,而场地顶部区域土体则较小;隧道左右两侧拱腰部位的衬砌的应力较大,而拱顶部位则较小。计算结果同时表明了流固耦合动力模型孔压单元在饱和土体-隧道体系地震反应研究中的适用性。     

煤巷高冒区遗煤自燃数值模拟分析

煤巷高冒区因遗煤易自燃而成为煤矿内因火灾的重要危险源之一。本文在分析高冒区遗煤赋存状态的基础上,结合平煤十三矿11111巷道高冒区实际情况,应用FLUENT软件,对高冒区漏风风速、温度、氧气浓度以及CO浓度的分布进行了数值模拟。模拟结果表明：高冒区中部漏风在自燃风速范围内;在高冒区内,高温点出现在中部;高冒区中部氧气消耗量最大,煤氧反应产物CO浓度在高冒区中部最高。根据高冒区温度、氧气浓度、CO浓度、漏风风速的分布规律,可将高冒区划分为“易自燃带”和“不易自燃带”。     

考虑流固耦合效应的辽宁葠窝水库溢流坝段抗震性能分析

针对辽宁葠窝水库混凝土重力坝抗震问题,采用耦合的拉格朗日-欧拉有限元分析技术,建立了可考虑库水-坝体-基岩动力耦合效应的典型溢流坝段抗震分析数值模型。模型中,采用等效一致粘弹性边界模拟基岩的人工截断边界;采用混凝土弥散裂缝本构模型模拟混凝土的动力特性。根据烈度与地震动之间的关系,确定了水库坝体抗震设计的输入加速度峰值。据此,分析了在不同季节水位变化条件下坝体地震反应的基本特性。研究表明：完好的辽宁葠窝水库混凝土重力坝溢流坝段能满足8度的抗震设防烈度要求。地震下溢流坝段峰值位移出现在胖坝和瘦坝的坝顶迎水面位置处,胖坝的动位移较瘦坝动位移大。胖坝在闸墩与溢流堰交接处出现了拉应力最大值。有库水条件下,瘦坝峰值拉应力出现在坝趾处,无库水条件下,瘦坝最大拉应力出现在溢流堰与闸墩交接处。     

落锤震源不同参数激发的数值模拟研究

本文通过研究落锤震源的物理模型,利用有限元方法,对震源激发到子波形成的全过程进行数值模拟研究。从激发参数角度,分别对软地表（土壤）和硬地表（岩石）条件下的不同落锤震源参数的激发进行数值模拟,分析不同震源参数对子波能量和频谱的影响,并比较不同地表岩性介质对震源参数变化的响应。同时将模拟结果同已有的数据采集研究和实验研究进行对比,以说明其有效性。研究结果显示落锤震源的激发效果同重锤质量、冲击速度、基板大小和基板材料的关系,为浅地表地震勘查中落锤震源参数的选择提供了参考依据。     

基于LS-DYNA的墙体抗燃气爆炸能力数值分析

目前国内外有关墙体防爆的研究多是针对恐怖袭击,且建模分析中多采用单向墙体,而对于民宅内燃气爆炸防护的研究很少。本文详细讨论了数值模拟的建模关键技术,在此基础上建立了墙体三维模型,采用具有民宅燃气爆炸特征的荷载曲线,对四边约束墙体的破坏模式、抗爆能力等进行了初步分析,并与单向墙体进行了比较。结果表明,墙体边界约束条件、厚度、砂浆强度、平面尺寸等因素均会对计算结果产生一定影响,其中前两者的影响效果较为显著。以此为基础提出的一些民宅防爆建议,可为结构防爆设计提供参考。     

移动荷载作用下土体动力反应数值模拟

在研究轨道振动荷载的产生机理基础上,归纳出一个能够涵盖速度、线路不平顺、轮重、轨枕对轮载的分散作用等因素在内的轨道荷载解析表达式,以此作为输入施加到土体模型上,利用ANSYS模拟地基土在轨道移动荷载作用下的三维瞬态弹塑性反应。通过计算得到土体不同位置位移和加速度时程曲线,并得出如下结论:荷载刚施加时地面位移会有一个突变,但是随着荷载的移动会达到一个稳定值,并随着水平面内远离轨道,该值逐渐衰减;荷载刚刚施加时加速度会有一个突变值,随着荷载的移动逐渐趋于零。轨道机车速度对竖向方向的位移和加速度影响不大。     

地震液化区桥台滑坡数值模拟

桥台在桥梁系统中占据重要位置,桥台的稳定性直接影响到桥梁的抗震性能。在国内外大量震害中发现大量由桥台破坏引起的桥梁损坏,而且这些破坏常常伴随着由于液化引起的地面大变形。为研究液化场地中桥台滑坡机理,采用完全耦合的有效应力分析方法,利用修正的PasterZienkiewicz Mark-Ⅲ模型来模拟砂土在地震荷载作用下的液化特性。研究台顶梁重和液化层位置对桥台位移的影响,并分析夯实作用对砂土液化的影响。结果表明:模拟得出结果与振动台试验结果基本一致,而且简单的夯实不能降低砂土液化的风险。     

不同围压条件下的圆形巷道岩爆过程模拟

利用FLAC模拟了不同围压条件下圆形巷道的岩爆过程。为了模拟巷道开挖,利用编写的FISH函数删除巷道内部的单元。岩石服从摩尔库仑剪破坏与拉破坏复合的破坏准则,破坏之后呈现应变软化-理想塑性行为。模拟结果表明：当围压较低时,剪切应变集中区域呈圆环状,围岩能保持稳定,不出现剪切带;当围压增加到一定程度时,围岩中出现了“狗耳”形的V形坑,发生岩爆,但围岩也还能保持稳定;当围压进一步增加时,围岩中出现了多条狭长的剪切带,巷道的整个断面均遭到了破坏,发生强烈的岩爆。随着围压的增加,V形岩爆坑变大、变深,剪切带花样的对称性变差;在高围压时,剪切带花样与塑性力学中的滑移线网有类似之处。     

各向异性介质地震波场数值模拟及特征分析

由于各向异性广泛存在于地下岩石中,随着勘探精度的不断提高,对地下介质的各向同性假设越来越不能够满足于现状,因此对各向异性介质的数值模拟显得更为重要。本文推导了各向异性介质的弹性波动方程,总结了震源类型,通过PML方法处理了人工边界问题,通过快照分析验证了数值频散、稳定性条件。研究结果表明:① PML完全匹配层,可较好地解决人工边界问题;②减小空间采样间隔压制数值频散比减小时间采样间隔效果要好得多,盲目减小时间采样间隔会大大降低数值模拟的运算效率;③各向异性介质中弹性波场中除含有准纵波外,还含有速度较慢的准横波;④准纵波波前能量要比由各向异性引起的准横波能量强,准纵波和准横波的波前随着各向异性介质参数的变化而变化。     

复合填料热传导过程数值模拟

复合填料由废铸砂、粉煤灰、聚苯乙烯（EPS）颗粒、水泥和水按一定质量比例混合制成,具有低导热性、抗冻胀和轻质特性。根据热阻力法则和比等效导热系数相等法则,将材料视为由大量正方形单元体组成,其中心为一个球形EPS颗粒,这种单元体与总体的导热系数相等。运用AN SY S软件对复合填料单元体的传热过程进行了有限元模拟,根据瞬态法导热系数测试原理,推求不同EPS掺入比情况下的复合填料导热系数,分析EPS颗粒与导热系数的关系,发现材料导热系数随着EPS掺入比的增加而快速降低。将材料导热系数数值模拟与实测结果作比较,发现有限元模拟值与实测值接近,说明采用有限元方法可以实现对材料传热过程的模拟。