求解一类交界面问题的模态基函数谱元法数值实验

采用模态基函数形式下的谱元法,对一类一维和二维交界面问题进行了数值计算研究。不仅考虑了具有间断系数的方程,还涉及了右端带有奇性源项的方程。对于二维问题的数值计算,研究了四边形单元谱元法和三角单元谱元法的离散格式。通过一些具有精确解的数值算例,验证了基于模态基函数谱元法求解交界面问题的可行性和有效性。与其他数值方法相比,谱元法对于一维问题可以实现指数阶收敛精度,对于二维问题也得到了较高的计算精度。     

非规则曲面的离散元法分析模型建模软件

在采用离散元法分析机械部件与颗粒材料接触作用时,需要建立机械部件（边界）的离散元法分析模型。分析可知,机械部件中与颗粒材料接触作用的零件表面,存在不能用初等解析函数表达的非规则曲面。为此,采用推进波前法（AFT：Advancing Front Technique）进行非规则曲面网格划分,把非规则曲面离散成三角形平面片的组合,同时添加运动属性和材料特性参数,由此建立非规则曲面边界的离散元法分析模型。在对PRO/E软件进行二次开发的基础上,研制了非规则曲面边界建模软件。通过实例验证,初步证明了基于AFT边界建模方法和软件的可行性,为复杂结构机械部件工作过程的仿真分析奠定了基础。     

基于曲线网格的温排水运动数值模拟

采用平面二维数学模型对温排水运动进行数值模拟研究.首先建立了曲线网格上温排水运动控制方程的离散方法,该离散方法可在曲线网格上直接对直角坐标系下的控制方程进行离散,避免了以往离散过程中复杂的坐标变换,此外该离散格式既适用于正交曲线网格还适用于非正交曲线网格,对复杂边界的适应能力更强.最后采用长江城陵矶河段岳阳电厂实测资料进行验证计算,计算所得的水位、流速和温升与实测成果吻合较好.     

一种二维不可压粘性流动的求解方法

本文采用边界元法求解二维不可压粘性流动的Ω-ψ方程。通过适当的数学推导,导出了关于流函数ψ。涡量ω的边界积分方程,并把它们在区域边界上离散,求解。二维扩张管道的计算结果表明,这是一种较优越的求解二维粘性流动的方法。     

基于离散元法的玉米脱粒过程分析

由脱粒机的CAD模型建立了脱粒机的离散元法分析模型,采用颗粒聚合体方法建立了玉米穗的分析模型,采用接触和连接力学模型计算脱粒过程中的作用力,在此基础上建立了一种分析玉米脱粒过程的新方法和软件。对该新方法和软件进行了实例验证,结果证明了新方法的可行性。     

河道二维非恒定流的数值模拟

基于贴体平面二维正交曲线网格.建立了河道二维非恒定流的数学模型,采用交替方向隐格式法(Alternating Direc-tion Implicit Method简称ADI法)对二维浅水方程进行了差分离散求解.在离散过程中,对对流项采用一阶迎风格式,以克服由于对流项采用中心差分而引起的不稳定.以长江南通河段为例,对模型进行了验证计算.计算结果表明,模型能较好地模拟复杂条件下天然河道的水流基本规律.     

粘性液体小幅晃动常单元及线性元的分析比较

采用边界元法对容器中粘性、不可压缩液体小幅晃动进行数值分析。从二维线性化的Navier-Stokes方程出发,推导了该问题分析的边界积分方程。结合边界条件建立了问题的一个边界元数值求解过程。数值处理过程中,利用线性元对边界进行离散,对角点进行了有效处理。数值结果与常单元的数值结果比较表明线性元的计算结果有更高的精度。     

二维两层介质界面接触热阻的反辨识研究

接触热阻是研究工程传热问题的重要参数,很多工程领域都需要有效辨识出接触热阻。针对目前接触热阻辨识方法局限于一维两层介质传热,只能求出一个接触热阻单值,以及温度测点必须布置在介质温度梯度方向上等问题,采用边界元法与共轭梯度法相结合的方法,对二维两层介质界面接触热阻进行反辨识研究。该方法可以求解出随界面接触线位置变化的接触热阻,并且边界元算法只需离散边界,不需要对内部区域进行离散,因此温度测点位置可以任意选取。建立二维两层介质传热模型作为算例并进行分析:该方法可以有效求解接触热阻,但作为反辨识方法的一种同样存在不适定性,并且温度测点距离接触界面越远误差越大,采用最小二乘法对求解结果进行优化处理可以有效提高辨识精度和稳定性。     

二维耦合热弹性动力学问题的无网格自然邻接点Petrov-Galerkin法

为了更有效地求解二维耦合热弹性动力学问题,对无网格自然邻接点Petrov-Galerkin法在此类问题中的应用进行了研究,并发展了相应的计算方法。该方法建立试函数时可以只依赖于一组离散的节点,有效地避免了复杂的网格划分和网格畸变的影响。相对于常用的移动最小二乘而言,自然邻接点插值不涉及复杂的矩阵求逆运算,更不需要任何人为参数。由于运动方程和瞬态热传导方程相互影响,这些方程必须联立求解。采用Newmark法求解空间离散后得到的二阶常微分方程组,进而可直接获得温度场和位移场的数值结果。     

基于曲线网格的串流区洪水运动数值模拟

采用平面二维水动力学模型来描述串流洪水运动,将降雨直接产流与坡面流的影响分别以面源及旁侧入汇的形式融入水动力学模型;基于曲线网格对串流区洪水运动数学模型的控制方程进行了离散,同已有的离散方法相比,本方法不需要对控制方程进行坐标变换,因而离散方程形式简单,物理概念清晰,且适用于一般曲线网格,对复杂区域适应能力较强;采用北汝河串流区1943年历史洪水资料进行了验证计算,验证计算所得洪痕水位与调查成果基本一致,说明所建立的数学模型能够较为准确地描述串流区内的水流运动.     

部件复杂表面影响土壤扰动行为的离散元宏细观分析

通过分析毛管水形成液桥对土壤微观力学结构的影响,引入并行约束来表征土壤颗粒间液桥的黏性作用,建立了土壤颗粒接触非线性力学模型,并对波纹形复杂表面推土板前端土壤的动态扰动行为进行了离散元宏细观模拟。结果表明,离散元模拟不仅准确再现了实验分析中复杂表面结构对土壤动态扰动行为影响的研究结果,而且从土壤颗粒运动以及土块破碎等细观角度准确分析了触土部件复杂表面对土壤动态扰动行为的影响因素和机理。     

推土板切土角对干土壤动态行为影响的离散元模拟

根据液桥对土壤微观力学结构的影响,在传统离散单元法理论的基础上,建立了土壤颗粒接触非线性力学模型,并对不同切土角推土板前端干土壤的动态行为进行了离散元模拟。准确再现了实验室实验中切土角对板面前端干土壤动态行为影响的定性和定量结果,并通过离散元细观分析从土壤内部土壤颗粒运动合理解释了干土壤宏观形态的变化规律和影响因素。     

LEM-DEM coupling for slope stability analysis

Slope stability analysis is a keen area of interest to researchers of geotechnical engineering and geological hazards. To date, the most popular approach applied in slope engineering design is the limit equilibrium method (LEM). However, for this method, some assumptions are required when obtaining the sliding force and the resistance force on the slide face. The discrete element method (DEM) presents an advantage in the calculation of the interaction forces between adjacent blocks without assumptions. This paper introduces a new slope stability analysis based on coupling of both approaches, herein referred to as LEM-DEM. The main LEM-DEM procedure is to transform the slice model of a slope in LEM into the DEM model and obtain the sliding force and the resistance force to calculate the factor of stability (Fos). The sensitivity analysis of the parameters in DEM, such as normal and shear stiffness, was conducted to illustrate that LEM-DEM suggests higher contact stiffness. A comparison between the Fos values in DEM and LEM-DEM was also conducted to indicate the rationality and advantages of LEM-DEM, especially for a gentle slope with a changing shear force direction in the slice model where the interslice forces in LEM are unreasonable. Furthermore, this study carried out a 3D landslide stability analysis extension, along with the results, for the proposed method.     

Discrete element method of improved performance of railway ballast bed using elastic sleeper

With the development of high-speed and heavy-haul railway in China, problems like insufficient thickness of ballast bed and overlarge track stiffness are obvious. Ballast may break into small particles and their contact status will deteriorate under cyclic loading, resulting in ballast degradation. Discrete element method(DEM) was used to research improved performance of ballast bed using elastic sleeper. Clusters were generated by bonding spheres to model real ballasts, while broken bonds were utilized to distinguish breakage. Two kinds of ballast beds with elastic sleeper and conventional sleeper were established, respectively. After applying cyclic loading to the models, differences of mechanical properties between two models were analyzed by contrasting their dynamic behavior indexes, such as particle contact force, sleeper settlement, vibration velocity and acceleration, breakage characteristic. The results illustrate that compared with conventional sleeper, elastic sleeper increases sleeper settlement, while reduces ballast vibration and contact force between particles, which could depress ballast breakage.     

泥石流颗粒物质分选机理和效应

泥石流是一种由大量固体颗粒和液态水充分掺混所形成的多相流体,泥石流体内固体颗粒物质的相互作用所导致的泥石流颗粒物质的分选是引起泥石流流动性和冲击力大增的重要原因,是现阶段大型泥石流防治的重要关注方向.从基本的泥石流动力学理论出发,采用连续介质力学的方法构建泥石流运动的模型,初步分析颗粒分选对泥石流流动性的影响;进而采用离散元(DEM)数值模拟颗粒流的方法,对泥石流发展过程中颗粒间的作用方式和分选机理开展详尽的研究.研究结果表明:泥石流颗粒分选可以导致颗粒体内部孔隙水压力的重新分布,进而影响到龙头运动速度和颗粒体长度的激增;离散元数值模拟和分析进一步显示,区别于一般均匀颗粒所形成的颗粒流的边界层效应,颗粒分选能够显著地改变颗粒体内部的剪切速率的分布,从而弱化边界层效应.     

应用离散单元法研究散体微观结构

针对散体材料复杂的微观作用机制,采用离散单元法,研究了重力场内由两种粒径球体组成的微观混合结构,分析了各种类型配位数的大小及分布。结果表明,单一接触类型的配位数及分量配位数分布与体积组成有关。具体表现为:随着小粒径粒子体积百分比的增加,小粒子间、大粒子与小粒子间的配位数增大,而小粒子与大粒子间、大粒子间的配位数则减小;小、大粒径分量平均配位数均增大,且大粒径分量配位数增长更快。然而,两种粒径散粒体重力堆积下的全平均配位数与空隙率及体积组成无关,基本保持为定值。     

振动筛面颗粒流三维离散元法模拟

基于软球干接触模型对振动筛面上颗粒流的筛分过程进行了三维离散元法(DEM)模拟研究,分析了煤料颗粒流在筛分过程中的运动状态和筛分效率动态变化规律以及入料颗粒的粒度分布对筛分效率的影响.结果表明:各粒级颗粒具有相似的速度变化规律和相近的平均速度幅值.易筛颗粒的筛分效率较高且变化幅度较小,对整体筛分效率的影响较小;难筛颗粒的筛分效率较低且变化较剧烈,对整体筛分效率具有较大的影响作用;沿筛面长度方向,筛分效率在入料端最低,排料端最高,中间较高且基本相等;随着难筛颗粒和阻碍粒含量的增加,筛分效率逐渐减小,当2种颗粒含量分别为25%和10%时,稳定状态下的筛分效率减幅变缓.     

基于直剪试验的堆积碎石类材料细观参数标定方法及模拟验证

颗粒材料三维离散元数值模拟的可靠性取决于细观参数的合理标定,目前对细观模拟参数的标定方法还缺少系统性的研究。本文通过室内直剪试验和数模试验对比分析,揭示碎石颗粒材料宏观力学参数与颗粒间细观参数的相关性,提出碎石颗粒材料数值模拟细观参数的标定方法,并验证标定方法的合理性。研究结果表明：在线性模型中,碎石颗粒试样的宏观弹性常数与碎石的粒间法向接触刚度呈正相关,而对粒间切向接触刚度的变化不敏感,基于此提出的粒间接触刚度（法向、切向）标定方法;直剪数值试验的剪应力-剪位移曲线计算结果与室内试验值吻合度较高,结果验证了标定方法的可靠性及合理性;在直接剪切过程中,碎石颗粒内部力链网络随着剪位移的增加逐渐由垂直方向向剪切盒对角线方向偏转,随着颗粒的整体速度场变化而出现剪缩和剪胀现象;采用本文提出的细观参数标定方法对室内滑坡运动试验开展数值模拟,数值模拟滑坡碎石堆积形态与室内试验基本一致,验证了该方法在堆积碎石滑坡模拟分析中的适用性。     

基于栅格粒子滤波的人体头肩三维姿态估计

为了实现单目视频中人体头部和肩部位置的自动跟踪,并估算出人体头肩部的三维姿态.提出了一种新的基于头-肩三维模型的栅格粒子滤波方法,使用Chamfer距离进行边缘相似性度量.算法使用一个预先生成的离散化的栅格状态空间,在每一个时间步将该状态空间的一个较小的子空间作为粒子的搜索空间,有效地限制了所用粒子数量,提高了粒子滤波过程的执行效率.由于三维信息的缺失,单目视频中人体三维姿态估计一直是一个难点问题.而实验结果表明,本方法能够有效并准确地估计出人体头肩部的三维姿态,为人体姿态分析和行为理解的研究提供了一个新的基础.