無網(wǎng)格自然鄰接點法及其在巖土工程數(shù)值模擬中的應(yīng)用

以sph算法為代表的無網(wǎng)格方法在爆轟波的數(shù)值模擬中具有明顯的優(yōu)勢,采用sph算法模擬高能炸藥水下爆炸爆轟過程,得到了壓力、速度等時歷曲線.將數(shù)值模擬結(jié)果與理論和實驗方法得到的結(jié)果進(jìn)行了對比分析,表明sph算法非常適宜處理高能炸藥水下爆炸的極短瞬時具有大變形和高度非均勻的動力學(xué)極端情形,且求解結(jié)果已達(dá)到了較高的精度。

巖土工程數(shù)值模擬新方法

隨著計算機的發(fā)展及其巖土工程領(lǐng)域應(yīng)用的不斷深入,巖土工程數(shù)值模擬方法得到了空前的發(fā)展。本文對目前巖土工程數(shù)值模擬方法進(jìn)行了簡要的介紹和評價,可供相關(guān)人員在巖土工程數(shù)值模擬方法時參考。

科技信息 1.引言 近幾十年來，隨著計算機應(yīng)用的發(fā)展，數(shù)值計算方法在巖土工程問 題分析中迅速得到了廣泛應(yīng)用，大大推動了巖土（體）力學(xué)的發(fā)展。在巖 土（體）力學(xué)中所用的數(shù)值方法主要有以下幾種：有限差分法、有限元 法、邊界元法、加權(quán)余量法、半解析元法、剛體元法、非連續(xù)變形分析法、 離散元法、無界元法和流形元法等。下面就對這些方法進(jìn)行簡要的介紹 和分析。 2.有限差分法 有限差分法是一種比較古老且應(yīng)用較廣的一種數(shù)值方法。它的基 本思想是將待解決問題的基本方程和邊界條件近似地用差分方程來表 示，這樣就把求解微分方程的問題轉(zhuǎn)化為求解代數(shù)方程的問題。亦即它 將實際的物理過程在時間和空間上離散，分解成有限數(shù)量的有限差分 量，近似假設(shè)這些差分量足夠小，以致在差分量的變化范圍內(nèi)物體的性 能和物理過程都是均勻的，并且可以用來描述物理現(xiàn)象的定律，只是在 差分量之間發(fā)生階躍式

論述了巖土工程數(shù)值模擬的新進(jìn)展和近年來新出現(xiàn)的數(shù)值模擬方法，重點介紹了無網(wǎng)絡(luò)伽遼金法（ｅｆｇｍ）和數(shù)值流形法（ｍｍ）的原理及其在巖土工程中的應(yīng)用，指出了今后研究的重點方向。

地質(zhì)問題本身的復(fù)雜性,使得三維地質(zhì)建模成為制約巖土工程數(shù)值模擬發(fā)展的障礙之一。充分利用工程地質(zhì)勘察的基本資料,根據(jù)所研究地質(zhì)對象的空間形態(tài)和相互關(guān)系,以autocad為平臺,借助autolisp二次開發(fā)技術(shù),進(jìn)行autocad三維地質(zhì)模型的構(gòu)建。探討了建模過程中關(guān)于地表、地層以及軟弱帶等模擬的方法以及奇異單元的優(yōu)化處理技術(shù)。最后,將此建模方法應(yīng)用到實際工程中。結(jié)果表明,所建立的模型基本上保存了原地質(zhì)體的信息,在網(wǎng)格規(guī)模一定時充分利用了地質(zhì)體的控制信息,避免了建模過程中不必要的簡化所造成的失真。

激光掃描測繪技術(shù)作為新技術(shù)的一種被廣泛應(yīng)用于多個領(lǐng)域之中,它能夠通過目標(biāo)對象表面的三維坐標(biāo)得到完整全面的外觀,且重建精度較高,通過對原始數(shù)據(jù)的快速訪問構(gòu)建出三維數(shù)據(jù)的采集模型.本文將對三維激光掃面技術(shù)在巖土工程中的應(yīng)用以及自動建模方法進(jìn)行分析.

基于移動最小二乘法近似函數(shù)和以有限元網(wǎng)格作為積分背景網(wǎng)格的無網(wǎng)格法理論,對板料沖壓成形過程進(jìn)行了數(shù)值模擬,利用罰函數(shù)法引入本質(zhì)邊界條件處理成形過程中的接觸摩擦問題,并將模擬結(jié)果與有限元法計算結(jié)果進(jìn)行對比,結(jié)果表明:無網(wǎng)格伽遼金法的計算結(jié)果與有限元法計算結(jié)果基本吻合,無網(wǎng)格伽遼金法作為新興的數(shù)值計算方法,具有前后處理簡單,精度高等特點,為板料沖壓成形的數(shù)值模擬提供了一種有效的新方法。

采用無網(wǎng)格算法對二維非定常膛口流場進(jìn)行了數(shù)值模擬.將膛口計算域進(jìn)行點云離散,采用曲線擬合計算傳播導(dǎo)數(shù),用hllc格式計算數(shù)值通量,運用龍格庫塔法時間推進(jìn),得到了一系列隨時間順序的數(shù)值計算結(jié)果,描述了膛口流場的形成發(fā)展過程,清楚地顯示了流場波系結(jié)構(gòu)的變化并對其進(jìn)行了分析.計算結(jié)果與文獻(xiàn)及實驗結(jié)果相符,表明該數(shù)值計算方法可行,并且具有很好的激波捕捉能力和激波分辨率.

自然單元法采用無網(wǎng)格的思想全域構(gòu)造插值函數(shù),它的求解精度高,計算時間少,可準(zhǔn)確地施加邊界條件,兼具有無網(wǎng)格法和有限單元法的優(yōu)點和特點,是一種理想的用于巖土及地下工程分析計算的數(shù)值方法。文中簡要地介紹了自然單元法的基本理論,并針對巖土及地下工程問題特點,給出了一種無網(wǎng)格離散點的全自動布置方法。

基于非結(jié)構(gòu)網(wǎng)格對翼型表面的積冰進(jìn)行了數(shù)值模擬研究.通過求解氣體歐拉方程得到翼型的繞流流場,使用穿透型壁面邊界模擬水滴對翼型表面的撞擊,采用迭代法對水滴控制方程進(jìn)行數(shù)值求解,得到翼型表面的水滴收集特性;采用不同的積冰凍結(jié)模型模擬霜冰和明冰的凍結(jié)過程;利用冰層時間推進(jìn)法模擬積冰過程,基于積冰法向生長假設(shè)生成積冰外形.對naca0012翼型霜冰和明冰的結(jié)冰情況進(jìn)行了預(yù)測研究,通過將冰形預(yù)測結(jié)果與實驗結(jié)果進(jìn)行對比說明所提出的積冰模擬方法是有效的,最后分析了積冰對翼型氣動特性的影響.

從數(shù)值模擬實驗的基本原理和典型實驗案例介紹巖土工程問題分析中常用的數(shù)值模擬實驗方法.通過對傳統(tǒng)分析方法與數(shù)值分析方法的對比分析,總結(jié)數(shù)值模擬實驗的特點及適用范圍.參數(shù)的選擇和對比是目前數(shù)值模擬實驗在實際應(yīng)用中遇到的主要問題,針對上述問題提出了多種數(shù)值模擬方法綜合應(yīng)用的解決思路.數(shù)值模擬實驗在與地質(zhì)力學(xué)模型實驗及現(xiàn)場工程結(jié)合驗證方面有廣泛的應(yīng)用前景,是解決巖土工程問題的有效工具.

從數(shù)值模擬實驗的基本原理和典型實驗案例介紹巖土工程問題分析中常用的數(shù)值模擬實驗方法.通過對傳統(tǒng)分析方法與數(shù)值分析方法的對比分析,總結(jié)數(shù)值模擬實驗的特點及適用范圍.參數(shù)的選擇和對比是目前數(shù)值模擬實驗在實際應(yīng)用中遇到的主要問題,針對上述問題提出了多種數(shù)值模擬方法綜合應(yīng)用的解決思路.數(shù)值模擬實驗在與地質(zhì)力學(xué)模型實驗及現(xiàn)場工程結(jié)合驗證方面有廣泛的應(yīng)用前景,是解決巖土工程問題的有效工具.

柵格翼是采用一種蜂房結(jié)構(gòu)設(shè)計的升力面和控制面,和傳統(tǒng)舵面相比具有鉸鏈力矩小、能在較大攻角下保持升力等特點,并得到了越來越廣泛的應(yīng)用。由于柵格尾翼的特殊結(jié)構(gòu),網(wǎng)格生成具有很大的難度。本文采用了結(jié)構(gòu)、非結(jié)構(gòu)混合網(wǎng)格的辦法,在彈體和柵格翼的物面附近區(qū)域,生成適合粘性計算的大長寬比的結(jié)構(gòu)網(wǎng)格,彈體網(wǎng)格和柵格翼網(wǎng)格之間采用非結(jié)構(gòu)網(wǎng)格進(jìn)行填充,滿足非結(jié)構(gòu)網(wǎng)格和結(jié)構(gòu)網(wǎng)格交接面的完全對接。本文基于結(jié)構(gòu)/非結(jié)構(gòu)網(wǎng)格體系采用有限體積方法求解ns方程,對不同舵偏角下的柵格翼構(gòu)形進(jìn)行了數(shù)值模擬,并通過實驗結(jié)果對數(shù)值方法進(jìn)行了驗證。

隨著計算機技術(shù)的發(fā)展,數(shù)值模擬方法已經(jīng)成為解決巖土工程難題和進(jìn)行巖土相關(guān)科研的一種不可或缺的手段。因此,數(shù)值模擬已逐漸發(fā)展成為研究生和高年級本科生的一門必修課程。本文首先分析了數(shù)值模擬的特點以及在巖土工程實踐和科研中重要性,總結(jié)了當(dāng)前數(shù)值模擬教學(xué)存在的問題,針對該問題提出了一種\"目標(biāo)+問題+啟發(fā)\"式的教學(xué)方法,最后以通用離散元軟件(udec)教學(xué)為例,闡明了本文所提教學(xué)方法的實施途徑。

土工網(wǎng)格是在土工格柵平面結(jié)構(gòu)的基礎(chǔ)上發(fā)展起來的三維加固系統(tǒng)。自８０年代法國研制開發(fā)以來至９０年代美國軍工用于沙漠風(fēng)暴中的公路、機場路施工，短短十余年時間，在世界各地均有不同程度的應(yīng)用。我國在塔克拉瑪干沙漠腹地進(jìn)行首次應(yīng)用，取得了明顯的經(jīng)濟(jì)及社會效益。

無網(wǎng)格法是一種新興的數(shù)值計算方法,具有獨特的性質(zhì)。簡述了無網(wǎng)格法的理論基礎(chǔ)及其所具有的優(yōu)勢,詳細(xì)介紹了幾種常用的無網(wǎng)格算法,并以移動最小二乘近似法為重點,對無網(wǎng)格法中的形函數(shù)構(gòu)造作了詳細(xì)論述。最后,分析了無網(wǎng)格法在小尺度封閉空間聲場數(shù)值計算中的應(yīng)用。

為了解決流固耦合問題中的物體大幅度運動帶來的困難,采用ale(arbitrarylagrange-euler)動網(wǎng)格方法跟蹤自由表面上浮體的運動。計算表明:浮體在無粘流體中的垂蕩與彈簧-物體的振動模型理論解符合得較好;浮體在粘性流體中的自由橫搖為阻尼運動,其橫搖角度隨時間的增加而減小,且在不同初始角度下運動系統(tǒng)的固有周期相當(dāng)。在有外力力矩激勵時,外力力矩的周期與系統(tǒng)的固有周期相當(dāng)時浮體橫搖運動趨于共振狀態(tài),運動幅度最大。計算結(jié)果驗證了計算程序的可靠性與精度。本文方法為ale方法應(yīng)用于流體-多浮體耦合運動分析奠定了基礎(chǔ)。

針對有限元法等傳統(tǒng)數(shù)值計算方法存在受單元網(wǎng)格限制、前后處理工作復(fù)雜的問題,提出應(yīng)用一種數(shù)值計算方法——無網(wǎng)格伽遼金法,對具有簡單邊界條件的水利水電工程施工導(dǎo)流的恒定二維淺水流動問題進(jìn)行了分析、計算.同時利用有限元法進(jìn)行了對比計算,從流速、水位的計算結(jié)果來看,兩種計算方法結(jié)果相近、誤差較小,表明采用無網(wǎng)格伽遼金法解決此類問題是可行的.

將無網(wǎng)格伽遼金法推廣應(yīng)用于電磁場的數(shù)值計算。詳細(xì)論述了移動最小二乘近似的基本原理和具體實施過程,采用罰因子法處理第一類邊界條件?；谛拚娜跣问椒汉慕?導(dǎo)出了算法的離散模型。為驗證所述的模型和方法,給出了數(shù)學(xué)驗證和計算實例。

geo—slope在巖土工程地下水中的模擬應(yīng)用——數(shù)值模擬方法是評價地下水水質(zhì)、模擬自然界一些水文地質(zhì)過程中發(fā)生和發(fā)展的主要手段之一．geo—slope是目前國際上比較盛行的、且被水文工作者認(rèn)可的巖土工程設(shè)計軟件，它具有強大的模擬功能．該文采用該軟件的二維...

采用間接方法生成四邊形網(wǎng)格,首先利用改進(jìn)的兩點前沿推進(jìn)法把計算區(qū)域剖分成三角形網(wǎng)格,然后采用插點和細(xì)分的技術(shù)生成單元全部是四邊形的網(wǎng)格,通過邊互換、刪點和局部插點技術(shù)進(jìn)一步光滑平順,得到適用于數(shù)值計算的網(wǎng)格。剖分結(jié)果表明,該方法能夠在任意二維平面區(qū)域內(nèi)自動生成全四邊形網(wǎng)格,并能生成光滑過渡的局部加密網(wǎng)格和貼體性較好的邊界層網(wǎng)格。該方法具有算法簡單,計算量少的特點。利用所生成的網(wǎng)格對計算傳熱學(xué)中的典型算例-方腔自然對流進(jìn)行求解,計算結(jié)果與基準(zhǔn)解吻合,網(wǎng)格質(zhì)量能夠滿足數(shù)值分析計算的要求。