基于MBD和DEM耦合的新型CAE软件

针对播种机工作过程分析和优化设计中存在的问题, 提出一种将多刚体动力学（multiple rigid body dynamics, MBD）与离散元法（discrete element method, DEM）耦合的方法, 通过将自主研发的多刚体动力学计算仿真软件与离散元法分析软件进行集成, 研发出一种新型CAE软件〖CD2〗AgriCAE（agricultural computer aid engineering）, 介绍了该软件的实现方法, 并通过实例验证了AgriCAE软件的可行性和有效性.      

基于颗粒离散元的岸壁式码头抛石基床承载力数值试验研究

通过重锤夯实法提高岸壁式码头抛石基床承载力,对于保证海岸工程安全与稳定具有非常重要作用.为此,基于颗粒离散元法,建立抛石基床颗粒离散元模型,开展了抛石基床重锤夯实过程数值试验研究,揭示了抛石基床夯实过程位移变化与承载力的相关关系.研究成果表明,抛石基床加载梁下部产生的接触力较密集;随着抛石接触力的增大,基床承载力随之增大,直至达到抛石极限承载力;在块石相互挤压作用下抛石基床边缘产生隆起,隆起值最高达20mm,密实度均增加5%~10%.研究成果可为类似工程抛石基床密实和承载力研究提供参考.     

有限元-边界元耦合法在二维电磁场数值计算中的应用及优化措施

在二维电磁场数值分析中,有限元-边界元耦合法将有限元法与边界元法结合,可以同时发挥两种方法的优势．笔者在介绍有限元-边界元耦合法原理与算法的基础上,分别研究子域逼近有限元法、Mortar元法和并行计算与有限元-边界元耦合法结合使用分别为关心区域相对整体区域尺寸较小、求解区域中包含运动导体和大规模高自由度电磁问题的数值计算提供优化途径．     

离散元法中三种球形颗粒接触发现算法的比较

离散元法的计算效率是离散元法的核心问题,而接触发现算法是影响计算效率的重要因素.以目前广为使用的球形颗粒离散元法中的三种接触发现算法为基础,分别将这三种方法并入到作者自行开发的离散元程序中,模拟五个不同颗粒数量的砂堆形成过程.模拟结果表明,边界盒法计算效率最高,相邻单元法次之,边界球法计算效率最低.     

波浪与斜坡堤护面块体相互作用的SPH-DEM数值模拟

基于SPH方法和离散单元法(DEM)建立了二维流固耦合数值模型,模拟了波浪作用下斜坡式防波堤护面块体的水动力变化特性.流体模型采用经黎曼接触算法和CSPM修正后的SPH方法,水槽固壁和造波边界以及结构物边界采用固壁粒子法处理.离散护面块体的运动和受力采用DEM方法来模拟.流体与固体的交界面处满足界面力平衡条件.应用所建立的二维SPH-DEM耦合数值模型模拟了波浪与斜坡堤护面块体的相互作用,分析了波浪爬坡过程中的流场变化以及波压力沿胸墙的分布规律.物理模型试验验证了所建立的数学模型.     

基于离散插值的有限元素法

基于离散插值的有限元素法，介绍一种数值计算方法，并就一种离散插值法（四点法）给出具体的算法及误差估计。     

螺旋桨桨叶固有动力特性方法研究

应用有限元与边界元结构合的湿模态法对浸入静水域中螺旋桨桨叶进行固有动力特性研究,编制了３种单元组合模型与流固耦合计算分析程序;实桨计算结果与桨叶固有频率激振试验结果比较表明,计算值与实测值基本吻合,所采用的块体元、过渡元和厚壳元３种单元组合形成的有限元离散模型和Moriono双曲面元法在计算精度和计算效率方面比块体和厚壳有限元模型有所改善。     

离散函数的展式

本文利用分部求和法证明了3个类似于连续情形中泰勒展式的定理，它们将离散函数x（i）在一点的值表示为Δkx（o）与相应系数乘积的和的形式，这将在离散分析和数值计算领域中有很重要的应用。     

岩质高陡边坡失稳的离散元法与非连续变形法的对比分析

通过对大冶露天矿高陡边坡的离散元法与非连续变形法的对比分析，探讨了这两种数值分析方法的异同点，研究了边坡失稳的机理．所得结果可为高陡边坡的失稳防治提供科学依据．     

三维位势问题新的规则化边界元法

本文致力于三维位势问题的间接变量规则化边界元法研究,提出了新的规则化边界元法的理论和方法.构造了与法向量关联的两个线性无关的特别切向量,建立与问题基本解有关的量的法向、切向梯度的特性定理,提出转化域积分方程为边界积分方程的极限定理,在此基础上,导出间接变量规则化边界积分方程.与广泛实践的直接边界元法比,本文具有优点：（1）降低了密度函数的连续性要求;（2）更适合求解薄体结构问题.因为所给方程中不含超奇异与几乎超奇异积分,积分的规则化算法更加有效;（3）可计算任何边界位势梯度.数值实施时,C0连续单元描述几何曲面,不连续插值逼近边界量.针对问题的特殊的边界曲面,提出一种精确几何单元.数值算例表明,本文算法稳定、效率高,所得数值结果与精确解相当地吻合.     

基于元／网格动量传递的离散元与有限元耦合的时空多尺度算法

建立了时间多尺度与空间多尺度兼顾的离散元与有限元耦合的时空多尺度计算模型,并推导了基于元/网格动量传递的力学和动力学参变量的过渡算法,实现了离散元与有限元耦合过渡区内参变量信息的合理交换,从理论上解决了时空多尺度计算中离散元区域与有限元区域之间物理和力学特征的光滑过渡问题.通过弹性应力波在细长杆中传播的算例,验证了该时空多尺度数值计算方法具有较高的准确性和计算效率.     

离散单元法在岩土工程中的应用

离散单元法提倡从细、微观角度研究岩土体的宏观力学特性,是岩土工程界关注的一个热点问题.作为探讨,首先简要介绍了离散单元法的特性,其次分别从国外、国内两条主线讨论了离散单元法及其与其他算法耦合计算在岩土工程中应用的发展概况,可为相关研究提供技术资料与参考.     

FDM-DEM耦合分析刚性桩复合地基褥垫层特性

针对单独采用连续体法或离散元法分析桩体复合地基褥垫层的不足,以单桩模型试验为背景,采用有限差分法(FDM)模拟桩体和桩间土,采用离散单元法(DEM)模拟褥垫层,对刚性桩复合地基建立耦合计算模型,并对该模型各加载阶段的桩顶刺入量、褥垫层的受力特性和变形特性进行了分析.结果表明:当上部荷载较大时桩顶边缘出现沿竖向的滑裂带,褥垫层的调整均化作用是通过桩顶附近的颗粒从桩顶高应力区向低应力区流动实现的.     

三维流固两相流的颗粒群轨道柔性模型

为解决工程应用中三维流固两相流动力学建模的难题,提出了基于离散单元法(DEM)的颗粒群轨道柔性模型．即在Euler坐标系中表达流体连续相,在Lagrangian坐标系中运用DEM表达颗粒离散相,从而简单且有效地解决了三维流固两相流中颗粒相和流体相间的双向耦合和求解问题,同时以三维管道中气固两相流的建模和典型实例,可视化地说明了该方法的有效性．     

散体单元法确定计算时步模拟刚度法

 散体单元法DEM的核心内容是运用所谓的中心差分法,实际上使用了迭代计算,在计算中确定合理的计算时步及其法向刚度是研究问题非常重要的方面,时步的选取与被研究颗粒的刚度、质量、阻尼,以及它们之间的匹配关系密切相关。目前,确定刚度的一般做法是实测,但实测只能对特定条件进行,且需要研究人员具有较丰富的经验,才能保证计算结果接近实际。本文通过质量-弹簧系统,对DEM计算过程进行理论与数值模拟讨论,给出确定计算时步和法向刚度的选取方法,对同类计算具有一定的参考意义。     

岩质颗粒破碎数值模拟研究进展

天然岩质颗粒材料在较大外力作用下,会发生颗粒破碎现象,从而影响到材料的强度、变形、渗透等性能,关系到工程的安全。限于试验条件、颗粒尺寸和形状等因素的制约,数值模拟成为研究颗粒破碎问题越来越重要的一种方法。通过回顾国内外的研究成果,总结了两类重要的数值模拟方法:连续介质力学数值模拟方法和离散元数值模拟方法。通过归纳每种数值模拟方法,重点分析了两种模拟颗粒破碎过程的离散元数值模拟方法:碎片替换模型和凝聚颗粒模型,通过整理两种模型的研究内容及特点,讨论了现有方法存在的优势及局限性,并提出了基于离散元方法研究颗粒破碎问题可能性方向。     

砌体结构倒塌反应的图形仿真技术

对基于离散单元法的砌体结构倒塌反应仿真系统作了简介 ,重点讨论图形仿真模块程序的编制方法及其与核心计算程序的接口方式 .阐述了三维图形标准OpenGL的优点和有关图形表现机制 ,并通过C 与OpenGL的结合 ,解决了仿真系统中数值计算模块与图形模块的数据传递、计算结果的动态演示、可视化效果的改善等问题 ,同时保证了模块的可扩展 .通过所开发程序的运行结果和模型振动台试验现场录像的对比 ,说明了开发方法的合理性和实用性 .最后对结构仿真软件开发中OpenGL图形标准的应用经验进行了小结     

两种常用本构模型在基坑开挖数值模拟中的适用性

针对基坑分析中难以选择土体宏观本构模型的现状,通过数值模拟研究2种常用本构模型对基坑开挖问题的适用性。首先,基于双轴压缩试验,求解与离散元试样在力学特性上相匹配的M-C和D-P模型参数;其次,进行基坑开挖模拟,以离散元的应力、应变路径分析结果为参考,讨论2种本构模型在基坑分析中的特点及适用性。结果表明:M-C和D-P本构模型能够较好地反映开挖过程中土体的复杂应力发展,难以表征土体的变形发展;2种模型的基坑开挖分析结果相差不大。     

离散元-有限差分耦合法在铁路有砟道床研究中的应用

将离散元-有限差分耦合算法引入铁路有砟道床结构的力学分析中.通过激光扫描法建立了基于真实道砟颗粒外形的离散单元数值模型,以此对由碎石道砟所组成的散体道床进行精细化模拟;采用有限差分法对连续介质的轨枕及轨下路基基础进行仿真.通过在层间结构边界处设置虚拟耦合过渡层,并将力和位移作为媒介物理量于一个时间步内在两种程序之间进行交互迭代的方式实现了两种数值分析方法的动态耦合.在此基础上建立了轨枕-散体道床-路基的离散元-有限差分耦合数值模型.并通过现场实测结果验证了模型的正确性.     

水砂混相流运动的CIP-DEM耦合数值模型

为建立精确模拟水砂混合流(如:挟砂溃坝溢流)问题的数值计算方法,提出了模拟固液混相流运动的垂向二维CIPDEM法耦合数值计算模型。模型采用CIP(constrained interpolation profile scheme)法求解描述水体运动的Navier-Stokes流体运动方程,采用DEM(discrete element method)法求解描述泥沙粒子团运动的牛顿力学方程;并通过水砂间的相互作用关系将水-砂运动进行耦合。通过分别对溃坝溢流和砂体下落的单相体运动进行数值模拟并与前人的实验结果进行对比,验证了CIP法流体计算模型和DEM法砂体计算模型妥当。在此基础上,采用所建立的CIP-DEM水砂耦合数值计算模型对干床面上的挟砂溃坝溢流问题进行了数值模拟,计算得出的挟砂溃坝溢流中的水、砂运动形态和运动过程与Zhang(2009)等的实验结果吻合良好,表明提出的CIP-DEM耦合模型在对具有大自由表面变形的水砂运动问题的模拟中具有较好的适用性。