基于修正剑桥模型的SPH的土柱崩塌模拟

土柱崩塌是一种被广泛研究的岩土大变形模型。考虑非关联流动法则的修正剑桥(MCC)模型描述土体行为,并将其导入光滑粒子流体动力学(SPH)算法来模拟土柱崩塌。在算法设计中,利用有限元方法中常用的中心回映算法来计算应力积分,以提高算法的精度。应用所设计的SPH算法模拟初始高宽比分别为1.5,3和5.5的土柱崩塌模型,并与实验结果比较,表明SPH算法在研究土柱崩塌问题的可靠性。     

基于SPH算法的刚性弹丸侵彻的数值模拟

针对光滑粒子流体动力学(smooth particle hydrodynamics,简称SPH)方法在高速碰撞问题中的应用,利用大型动力学仿真软件LS-DYNA对球形弹丸以1 000m/s的速度侵彻1.2cm厚度钢板这一过程进行数值模拟分析。求解过程中球形弹丸采用刚性(Rigid)材料,钢板采用Johnson_Cook材料属性、Gruneisen状态方程。分别用有限元法、SPH-FEM(smooth particle hydrodynamics-finite element method,简称SPH-FEM)耦合算法和SPH算法对钢板进行模拟,并对这3种方法计算结果的Mises应力云图、系统能量、速度、加速度和计算效率进行对比,分析3种方法在高速碰撞问题中的优缺点。研究结果表明:SPH算法计算效率低,仅1/4模型的计算时长就是有限元法的6.4倍,而有限元法不能很好地模拟高速碰撞中材料大变形、飞溅现象,相比之下,SPHFEM耦合算法能够弥补两者的不足,且精度能够达到要求。     

基于SPH方法对强动载下混凝土结构损伤破坏的数值模拟研究

混凝土结构在冲击爆炸等强动载作用下常常发生开坑和震塌等典型的损伤破坏现象,对损伤破坏的精细化数值模拟依赖于准确的材料模型和合适的数值算法,是当前研究的热点问题.本文首先探讨了基于有限元方法和常用单元删除算法模拟混凝土损伤破坏的内在缺陷和不足,然后基于光滑粒子流体动力学方法(SPH)与作者近期提出的混凝土动态损伤材料模型(Kong-Fang模型)相结合,对强动载下混凝土结构损伤破坏进行数值模拟,得到了实验的较好验证.SPH方法结合Kong-Fang材料模型不需要引入常用单元删除算法中的经验参数,提供了具有较好应用前景的混凝土结构动态损伤破坏的数值模拟方法.     

基于SPH方法与GPU并行计算的阶梯流数值模拟

为了更好地模拟分析地下空间阶梯流动力学规律和提升数值计算效率,本文利用光滑粒子流体动力学方法(SPH)并借助GPU并行计算技术对地下空间阶梯流进行数值建模和计算。基于GPU并行化加速的SPH地下空间阶梯流模型的数值计算结果表明：该模型不仅计算获得较好的阶梯流流态,而且计算效率大幅度提高,比串行SPH模型和移动粒子半隐方法(MPS)模型快数百倍,这为研究大尺度城市街区洪水提供了一个比较有前景的研究途径。     

基于SPH方法的阶梯流数值模型

针对阶梯流在实验研究方面的不足,为了更好地研究复杂阶梯流动力学规律,利用光滑粒子流体动力学方法(SPH)构建了阶梯流数值计算模型。该文模型对SPH方法的一种固壁边界处理方法进行了改进,改进的边界处理方法能对固壁边界施加的斥力进行动态修正从而减少边界扰动,还引入了动态加入水粒子的水泵模型来模拟阶梯流实验中的水泵注水过程。以验证模型可靠性,基于建立的模型对Ishigaki实验场景进行了模拟分析。结果表明:定性上,模拟水流呈现出较好的阶梯流流态;定量上,模拟结果与Ishigaki实验数据整体上比较吻合。     

基于长程力的SPH方法固壁边界处理

将近场动力学(PD)中的长程力引入光滑粒子流体动力学(SPH)的固壁边界处理模型中,给出一种适合SPH方法边界处理的新方法。通过液柱坍塌、Poiseuille流、水铸造充型仿真和土体崩塌4个算例对该方法的有效性进行验证。结果表明:该方法能很好地解决粒子非物理穿透边界;能客观反映真实的边界作用;对于复杂几何边界和具有材料强度的动力学问题也相当有效。     

基于光滑粒子流体动力学方法与GPU并行计算的阶梯流数值模拟

为了更好地模拟分析地下空间阶梯流动力学规律和提升数值计算效率,利用光滑粒子流体动力学方法(SPH),并借助GPU并行计算技术对地下空间阶梯流进行数值建模和计算。基于GPU并行化加速的SPH地下空间阶梯流模型的数值计算结果表明:该模型不仅计算获得较好的阶梯流流态,而且计算效率大幅度提高,比串行SPH模型和移动粒子半隐方法(MPS)模型快数百倍,为研究大尺度城市街区洪水提供了一个比较有前景的研究途径。     

SPH-FEM耦合方法在切削加工数值模拟中的研究

针对SPH与FEM的各自特点,采用SPH与FEM耦合的方法进行切削加工数值模拟。在变形比较小处采用FEM,以提高计算精度和效率;在变形较大处采用SPH,以避免网格畸变造成计算困难。在ABAQUS软件环境中,建立了弯颈刨刀对45号钢切槽的SPH-FEM耦合模型,模拟了刨削过程材料的应力、切削应力,验证了耦合算法的有效性。     

剪切变稀自由表面流动问题的不可压SPH模拟

为解决传统弱可压光滑粒子动力学(SPH)方法中,密度的微小变化能引起压力的非物理振荡,发展了一种新的不可压SPH方法,并将其推广到剪切变稀自由表面流动问题的数值模拟中。该方法采用压力Poisson方程求解流体压力,流体控制方程则通过分数步长法进行求解。首先,利用不可压SPH方法模拟了牛顿液滴在水平固壁上的铺展现象,并通过与文献结果的比较,验证了不可压SPH方法模拟自由表面流的有效性;随后,对牛顿液滴和剪切变稀液滴在倾斜固壁上的铺展现象进行了不可压SPH模拟,并讨论了两种液滴铺展现象的不同流动特征。数值结果表明,不可压SPH方法不仅能够有效克服弱可压SPH方法所产生的压力振荡问题,并且能够成功推广到剪切变稀自由表面流的数值模拟中。     

基于GPU的多维树搜索算法在管道流体仿真中的应用

为提高邻近粒子搜索速度,使水力压裂过程中注入管道内的水流现象更好地满足实时性要求,在图形处理器(GPU)上基于光滑粒子流体动力学(SPH)算法,将结合GPU的并行操作能力和多维树搜索算法优点的多维树搜索算法应用在水力压裂管道流体模拟中。首先,给出了流体粒子的受力分析及更新颗粒位置的方法;然后,给出了该算法在管道流体模拟中的具体实现过程。最后,通过实验近似模拟水力压裂过程中管道与水流交互过程,并与其他算法进行对比分析。结果表明将本文算法应用于大规模管道流体模拟中,执行速度快了几倍,实现了水流模拟在管道中的实时性。     

多孔介质孔隙尺度下不可压缩流体流动特性SPH模拟

基于孔隙尺度下的多孔介质模型,使用光滑粒子动力学(SPH)数值模拟方法研究多孔介质中不可压缩流体流动现象,分析流体在孔隙尺度下的流动特性.首先通过模拟经典的Poiseuille流和Couette流验证方法的正确性.随后,针对流体在分别由圆柱和方柱为骨架构造的规则多孔介质内的流动情况,同时使用SPH方法和有限元法(FEM)进行模拟,所得的结果十分吻合.最后利用SPH方法对流体在基于贝雷岩心获得的多孔介质模型和以同尺度的圆柱为基元构造的一种人工随机多孔介质模型内的流动进行模拟,证明平均流体速度和单位质量体积力具有很好的线性关系.     

液滴变形及表面张力模拟的光滑粒子动力学方法

光滑粒子动力学(smoothed particle hydrodynamics,SPH)方法是一种Lagrange无网格粒子方法,在多相流模拟方向有着巨大的潜力。液体表面张力是多相流动的一个很重要的作用力。该文采用连续表面力(continuum surface force,CSF)模型和粒子间相互作用力(inter-particle interaction force,IIF)模型在SPH方法中引入表面张力,比较了这两种模型对液滴变形过程的模拟。CSF模型与理论结果之间的比较表明,CSF模型很好地模拟表面张力的效应。而IIF模型虽然也可以用于计算表面张力,但与CSF模型相比,其模型参数的确定较为困难。     

三维洪水流动的SPH数值模型

对光滑粒子动力学(SPH)方法进行了改进,提出了高精度的耦合动力学边界处理方法,保证粒子的无穿透条件,通过液面粒子的支持域求和准确施加自由液面条件,准确预测水流的翻卷、破碎效应。建立洪水流动的简化模型,分析防波堤对洪水的阻碍作用,准确预测洪水流动中各种三维特征。应用SPH模型对三维圆柱形水体坍塌过程进行模拟,结果表明,SPH数值模拟结果与实验结果吻合很好,从而验证了SPH模型模拟剧烈自由液面流动的有效性。     

基于光滑粒子法边坡失稳影响范围的模拟

基于光滑粒子流体动力学(SPH,smoothed particle hydrodynamics),以经典弹塑性本构模型为核心,结合一系列数值处理方法,探讨精确和便捷地对边坡失稳破坏影响范围的模拟方法与技术。文中借助地理信息系统(geographic information system,GIS)平台与C#编程建模,将边坡地形细节与特征创建成为SPH粒子,对模型部分边界粒子排列方式进行改进,最后应用到边坡模拟的实例中。结合GIS平台与Matlab开发了滑坡SPH粒子自动排列程序,将此模型与方法应用在美国华盛顿州Oso滑坡实例中,经过参照对比,数值模拟结果与滑坡现场收集数据较为吻合,验证了光滑粒子法及运动模型在模拟边坡失稳影响范围的适用性。     

崩塌体与拦石墙冲击动力演化过程及参数敏感性

以都江堰-汶川高速公路龙洞子隧道出口的崩塌灾害为对象,研究崩塌体的运动以及优化防护结构。采用基于离散元方法对崩塌灾害进行数值模拟,并开展了崩塌体与拦石墙动力冲击响应研究。结果表明:冲击动力响应结果与拦石墙高度、崩塌体运动距离、崩塌体内部块石摩擦系数及坡脚与拦石墙间的缓冲区距离均有一定的关系;拦石墙在崩塌体动力冲击作用下表现为宏观裂缝张开、微观具有冲击力超过颗粒平行连接强度而断裂的特征;进一步通过数值模拟优化了拦石墙的结构模型和设计参数。     

基于物理碰撞的边界处理方法

传统的光滑粒子流体动力学(smoothed particle hydrodynamics,SPH)方法在模拟流体时,核函数一致性的局限性导致在边界处产生较大的数值耗散,降低了边界处粒子的密度值及压强值的计算精度,导致流体体积的错误变化,进而影响模拟效果。文章提出一种SPH方法和物理碰撞相耦合的方法,对于非靠近边界的粒子,用SPH方法计算它们的各种属性;对于靠近边界处的粒子,赋予它们静止密度,使用纯粹的物理弹性碰撞来计算其速度和位置。在此过程中,文章给出了一种有效区分靠近边界的粒子和非靠近边界的粒子的方法;此外还加速了Marching Cubes算法。通过对比实验结果发现,该文方法可以准确计算流体的密度及压强,使得流体体积更加地接近精确值。     

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.     

基于改进SPH方法的圆柱绕流尾迹特性研究

针对传统光滑粒子动力学(SPH)计算成本过高问题,运用自适应粒子细化技术将精细空间分辨率集中在局部区域,通过优化缓冲区域粒子参数的查找方法、修正缓冲区域边界粒子的核梯度等方法提出了一种改进的SPH方法.采用该方法对不同雷诺数下的圆柱绕流进行数值模拟,系统分析了圆柱尾流流态和水动力系数并与试验值进行了对比.计算所得的水动力系数与实验数据较为相符,且模拟出来的圆柱尾流能够清晰捕捉到实验中观测的现象.结果表明:改进的SPH方法算法有效可靠,适用于绕流场尾迹特性研究,对钻井平台张力腿和海洋立管等工程领域的研究具有一定的参考价值.     

SPH方法中本构模型及在侵彻问题中的应用

研究侵彻问题中,在自编的光滑流体动力学SPH(smoothed particle hydradanamic)程序中引入两类本构模型,一类考虑状态方程的影响,一类采用弹塑性本构积分.对相同子弹冲击飞机蒙皮的算例进行了模拟分析.数值算例验证了弹性预估-塑性校正算法的稳定性和求解精度,给出了侵彻过程中靶板的破坏形式、等效应力...     

碰撞-反射模型在SPH固壁条件中的应用

将PPM(Pseudo-Particle Method)碰撞-反射固壁模型的镜像反射模式和Maxwellian反射模式引入SPH,分别模拟SPH中滑移和无滑移固壁条件.利用前者计算无粘流动的溃坝算例,并与其它研究者的实验和采用Lennard-Jones边界力模型等所获得的相应结果作了对比,结果吻合较好.利用后者计算了低雷诺数泊肃叶流动,并与该流动的级数解和采用镜像虚粒子方法(Ghost Particle)的固壁模型所计算的结果作了对比,结果也较吻合.研究结果表明,碰撞-反射模型对完全滑移和无滑移壁面均有一定的适应性.