破冰船冰区操纵性能离散元分析

针对浮冰区与平整冰区中航行船舶冰阻力与操纵性的预报问题,采用冰-水-船相互作用数值模型对“雪龙”船在浮冰区与平整冰区中的回转运动特性进行了数值分析。在数值模型中,采用具有黏结破碎特征的球形离散元模型来模拟冰盖的破坏过程,采用球体-三角形接触模型来模拟船-冰之间的碰撞过程,建立了考虑船舶桨力、舵力及水动力的六自由度操纵运动方程。在此基础上对船舶在不同厚度（1.2 m~1.7 m）、不同密集度（40%,60%,80%）浮冰区与不同厚度（0.8 m~1.2 m）平整冰区行进时的破冰阻力及回转特性进行了数值模拟。模拟结果表明：在相同厚度的浮冰区航行时冰阻力小于平整冰区航行的阻力值;浮冰区中回转圈直径约为敞水中回转直径的1倍~2倍;平整冰中回转直径约为敞水中回转直径的2倍~6倍。     

基于杆系离散元法的结构接触碰撞行为分析EI北大核心CSCD

将杆系离散元法拓展至结构的碰撞行为分析中,通过对颗粒运动轨迹修正实现模拟杆件间的碰撞响应。根据杆件间可能发生的接触模式建立了“点-线”接触模型;将“虚拟接触点对”的概念引入临界接触约束条件,详细推导了接触力的计算公式,并采用Fortran语言编制基于离散元法的结构碰撞行为分析程序;通过对典型接触碰撞算例的模拟和分析,定量验证算法的正确性和有效性。结果表明:“点-线”接触模型可对发生接触碰撞的杆件做出及时判断,并准确计算法向排斥力和切向摩擦力;同时接触碰撞过程的能量耗散。     

运输包装随机振动的加速度响应谱分析EI北大核心CSCD

正切型运输包装系统的加速度随机振动响应谱理论尚未进行系统研究,然而产品加速度响应是评价产品包装有效性的关键指标,而且很大一部分包装材料在一定变形范围内符合正切型的力-位移关系。将考虑关键部件的运输包装随机振动模型化为两自由度正切型包装系统,建立了系统的加速度响应谱求解方法,讨论了所提方法的适用范围,并采用数值模拟验证了所提方法的有效性。在此基础上,进一步探究了加速度响应谱对于外激强度和系统参数的敏感性,分析了正切型系统的硬弹簧非线性效应。随着激励水平提高,由于正切型刚度“硬弹簧”非线性作用,从而使产品主体的一阶响应峰值点频率及关键件一阶、二阶响应峰值点频率向右偏移逐渐增大;存在一个最佳的系统非线性特征参数β*,使关键件的一阶响应峰值或响应总体能量最小;系统的阻尼比、频率比、关键部件与产品的质量比对响应起着十分明显的“多阶调频调节带宽”作用。所提方法不仅能够有效地预测产品主体和关键件的响应,也为包装优化设计提供理论依据。     

基于离散元法的脆性岩石细观蠕变失稳研究EI北大核心CSCD

为从细观角度探究脆性岩石的蠕变失稳过程及失稳机理,该文基于三维颗粒流程序(PFC3D)考虑岩石的时效变形损伤过程,引入岩石细观单元时效损伤的应力腐蚀模型,建立了基于离散元方法的岩石时效变形损伤破裂模型,并通过单轴压缩及单轴蠕变的室内实验和数值模拟对比验证了所建立的时效变形损伤破裂模型的合理性。数值模拟再现了岩石的初始蠕变、稳态蠕变和加速蠕变三个蠕变阶段,同时模拟结果表明,在单级加载条件下,随着应力水平提高,稳态蠕变应变率显著增大,岩石蠕变失效时间逐渐缩短,初始轴向应变、初始侧向应变和初始体应变不断增大,且细观裂纹扩展形式与单轴压缩破坏形式基本相同,都是以拉伸裂纹为主,裂纹的增长速率随着时间增加而不断增大,尤其在第三蠕变阶段裂纹增长速率迅速增大;在分级加载试验过程中,模型的轴向应变、侧向应变和体应变以及裂纹最终扩展形态与单级加载基本相同;此外将三维蠕变模拟结果与二维模拟结果进行对比,结果显示三维模型拟合程度更高。     

小行星探测器附着碎石层的稳定性分析方法EI北大核心CSCD

小行星探测器在星体表面的稳固附着是探测任务的关键所在。以某型小行星探测器为研究对象,将离散元方法和多体动力学仿真方法相结合,建立了同时考虑缓冲机构作用和碎石层碰撞作用的耦合仿真模型,用来分析小行星探测器在碎石层的附着稳定性。而后,给出了探测器附着稳定性的综合评价参数,并在此基础上,针对典型附着工况,采用耦合仿真模型分析了探测器的附着稳定性。在特定的竖直速度下,通过全因子试验设计方法选取样本点,基于耦合仿真模型的计算结果,利用三阶多项式建立性能评价参数关于不同碎石层坡度、探测器水平速度和偏航角的代理模型,并利用代理模型确定了探测器的附着稳定性边界,分析了不同工况参数下的稳定性边界变化趋势。最后,根据稳定性边界分析结果,确定了三组恶劣附着工况,并在此基础上分析了竖直速度对附着稳定性的影响。该研究方法对于我国未来小行星附着探测任务的顺利开展具有一定的指导意义。     

颗粒自激式冲击-振动耦合力学试验方法及试验研究EI北大核心CSCD

针对一类冲击-振动耦合力学试验的技术需求,提出了一种短间隔连续冲击及颗粒体自激振动复合的冲击-振动耦合力学试验方法,并研制了试验系统样机。基于EDEM软件和VC++二次开发建立了试验系统自激振动结构的离散元耦合仿真模型,分析了颗粒体自激振动响应的一般规律,在此基础上根据应用需求优化选择自激振动加载方案。基于研制的力学试验系统样机和自激振动方案开展试验研究,通过分析对比连续冲击加载和冲击-振动耦合加载响应加速度时频域信号,验证了选择的颗粒体自激振动加载方案的实际作用效果,该试验系统可满足一些苛刻高动态连续冲击试验和连续冲击-多频振动耦合试验的需求,研究具有较好的科学意义和工程应用价值。     

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。     

含磷六元醇的制备及改性水性聚氨酯的结构与性能EI北大核心CSCD

以三氯氧磷、丙烯酸羟乙酯和二乙醇胺为原料,合成了一种含磷六羟基多元醇(NP6),将NP6作为内交联剂,异氟尔酮二异氰酸酯、聚丙二醇及二羟甲基丙酸等原料,合成了一系列NP6含量不同的聚氨酯乳液(WPU)。采用红外光谱、核磁共振对NP6和WPU的结构进行了表征,测试了乳液粒径、乳液稳定性和胶膜力学性能,采用热失重分析对乳胶膜的耐热性能进行了分析。结果表明,合成了与设计结构相符的NP6,制备的WPU具有良好的储存稳定性;乳液粒径随NP6含量增加先减小后增大,NP6的加入使乳胶膜的初始模量显著增加;加入NP6后乳胶膜的起始分解温度降低,分解后的残渣量增加。     

基于离散元法的镶齿冲击与切削破岩效果数值分析研究EI北大核心CSCD

随着深地资源的开发,镶齿滚刀在硬岩破碎竖向钻进中的应用愈加广泛。基于高精度拟合的离散元数值模型研究各因素对破岩效果的影响,获得动荷载波动差异系数和比能耗的变化规律。研究发现镶齿破岩以拉伸破坏裂纹为主,齿端曲率是影响微裂纹数量的最关键因素,微裂纹的方位角分布显示,受拉裂纹的分布较均匀,而剪切裂纹的分布主要集中在45°和135°附近。对于不同破岩模式下,镶齿破岩参数与荷载波动情况及比能耗的相关性差异较大,锥角和齿端曲率的影响存在极值,而侵深和攻角表现出单调的相关性。初始压力条件开始对破岩效率有抑制作用,而在与单轴抗压强度比值达到0.8时,比能耗明显下降。随着初始压力系数的增大,微剪切裂纹方位角分布逐渐均布化,而微拉伸裂纹逐渐向水平方向聚集。     

海冰与直立结构相互作用的离散单元数值模拟

在冰区油气开发中,海冰会导致海洋结构的强烈振动,并对结构累积疲劳损伤、上部油气管线和设备,以及操作人员健康构成很大的威胁。在海冰与直立海洋结构的相互作用中,冰荷载的幅值和频率一直是海冰工程研究的重要内容。该文针对海冰与直立海洋结构作用中的破碎过程,建立了海冰的离散单元模型。它将海冰离散为若干个规则排列且具有粘接-破碎功能的颗粒单元,并通过海冰单轴压缩试验对单元间的粘接强度进行确定;在此基础上对直立海洋平台结构的作用过程进行了数值计算,获得了不同桩径下的冰荷载和结构冰振响应,为冰区平台结构设计和现役海洋结构的疲劳寿命评估提供了参考依据。     

横浪中船舶的随机混沌运动

采用概率密度函数和数值模拟的方法研究随机横浪中船舶的混沌运动特性和发生混沌运动的临界参数条件。综合考虑非线性阻尼、非线性恢复力矩以及白噪声横浪激励,建立了船舶的横摇非线性随机微分方程。用随机Melnikov均方准则确定混沌运动的系统参数域后,应用路径积分法求解随机微分方程得到了响应的概率密度函数。研究发现:当噪声强度大于混沌临界值时,船舶出现随机混沌运动;对于高的白噪声激励强度,系统响应有两种较大可能的状态并在这两个状态间随机跳跃,这时船舶的运动不稳定并可能发生倾覆。     

复合材料高速船极限承载能力计算与可靠性分析

本文探讨复合材料高速船极限承载能力与可靠性。将Johnson梁柱极限强度公式推广应用于复合材料帽形加筋板格的极限强度分析,船体失效定义为船体所遭受的总纵冲击弯矩超过甲板/船底帽形加筋板格的极限强度。采用响应面法分析了复合材料高速船船体的可靠性,并计算了各随机变量的重要性因子和不确定性因子。文中给出的结论对复合材料高速船船体设计和进一步研究具有参考意义。     

任意形状区域的自动布点技术

针对存在多种介质材料、断层、裂纹、孔洞、开挖区域等不连续面或多连通区域情况的复杂平面区域,提出了一种自动布点算法及此算法的优化方法,该算法对不规则区域适应能力强,无需人工干预,且兼具有实现简单,耗时少等特点。这些自动布置的离散结点可直接用于无网格数值计算,也可以进一步生成有限元分析所需的三角形和四边形网格。     

冰蓄冷系统优化与控制分析

在冰蓄冷系统运行优化和控制中，存在概念不清、系统分工糊涂、控制要求提法混乱等实际情况。本文借助于控制理论的大系统观点，剖析了优化和控制的层次、地位和作用。最后，通过部分蓄冰系统，提出了冰蓄冷系统优化和控制的解决办法和实施步骤。     

重冰区输电塔-线体系脱冰振动的数值模拟

重冰区架空线路的脱冰振动可能造成金具损坏、导线断股、杆塔折损等机械事故,也可能造成闪络、烧断导线等电气事故。考虑几何非线性的影响,采用有限元理论建立了输电线路塔-线体系的脱冰振动精细化数值分析模型。以向家坝―上海800kV特高压直流输电线路为例进行了脱冰振动分析,分析了脱冰工况下导(地)线跳跃高度、最大水平张力、绝缘子内力和摆动位移、支座反力等变化规律。结果表明:导线脱冰振动将引起较大的竖向振动,导线最大水平张力增大了近20%,输电塔支座反力增大了约30%。基于上述模型,进行了12种工况下的参数分析,探讨了脱冰程度、绝缘子摆动刚度、阻尼比、不等跨、跨数、风荷载等参数对脱冰振动的影响规律。     

弹性DEM方法在杆系结构中的应用研究

基于颗粒离散元方法（DEM）,结合杆系结构的特点,提出了一种适于杆系结构问题分析的DEM模型。对颗粒元相应的质量和转动惯量计算公式进行了修正;通过能量等效原理推导了杆系DEM模型分析时弹簧接触刚度系数表达式;将瑞利阻尼引入到DEM方法之中,给出了阻尼常数计算公式并用算例进行了验证。将该方法应用于杆系结构弹性分析,包括静动力与几何非线性大变形问题的空间框架结构和网壳结构等多个算例,计算结果与有限元方法结果吻合良好。DEM方法的特点是将动力分析和几何非线性分析自动包含在运动方程的计算之中,不用组集刚度矩阵,无需迭代求解。杆系DEM模型非常适宜处理杆系结构大变形及动力非线性问题,尤其是在结构进入强非线性之后的模拟分析。     

单层网壳结构弹塑性屈曲分析的离散单元法研究

该文提出离散元塑性区法,即将任意2个球元的接触截面划分成若干小面积,通过各小面积的应力状态描述整个截面的塑性发展过程,较离散元塑性铰法更精确。该文推导了杆系离散元截面应变增量计算公式,建立了截面在三维应力-应变状态下的结构弹塑性本构方程、加卸载准则、截面内力积分公式以及计算分析流程。离散元弹塑性屈曲分析的追踪策略与弹性屈曲分析完全相同,即仍采用离散元力控制法或位移控制法。采用Fortran语言自编程序对若干单层网壳结构算例进行弹塑性屈曲分析,验证了离散元塑性区法的正确性和适用性,拓宽了离散单元法在工程领域的应用范围,为结构分析提供了新路径。     

块石含量和空间分布对土石混合体抗剪强度影响的离散元分析

土石混合体的抗剪强度在很大程度上取决于其块石的含量、空间分布、形态等参数。该文采用球体单元模拟土颗粒,通过组合颗粒单元构造非规则形态的块石,对不同含石量和块石空间分布下土石混合体的直剪过程进行了离散元数值模拟。计算结果表明,在低含石量下,土石混合体的抗剪强度随含石量的增加而增加;在中含石量下,受块石空间分布的影响,其抗剪强度呈现很强的波动性;在高含石量下,其抗剪强度显著增强,波动性相对较小。抗剪强度在中高含石量下波动现象的细观机理是块石空间分布影响下的力链结构特性。当块石的空间分布使其形成较强力链结构时,抗剪强度较高;反之,块石间的力链结构不稳定,抗剪强度相对较低。以上研究有助于从细观尺度揭示土石混合体变形和剪切强度特性的内在机理。