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物质点法(MPM)在固体运动和断裂模拟中的最新研究

1月前浏览382

文一:

 

MPMICE:一种用于模拟多孔介质中耦合问题的混合MPM-CFD模型——地震诱发的海底滑坡应用研究

摘要:

在本文中,我们描述了一种土壤融合结构的相互作用模型,该模型揭示了土壤力学(饱和沉积物),流体力学(海水或空气)和固体力学(结构)。该公式结合了材料点方法,该方法将多孔介质和结构的大变形建模与隐式连续流体欧拉式建模,该方法对复杂流体的流动进行了建模。我们验证该模型并模拟地震引起的海底滑坡的整个过程。我们表明,该模型捕获了饱和沉积物,海水和结构之间的复杂相互作用,因此我们可以使用该模型来估计潜在海底陆地载玻片对近海结构的影响。

 

图:土壤-流体-结构相互作用

 

图:基于MPMICE的土壤-水-结构相互作用耦合研究

 

图:材料之间的动量交换系数

 

图:GIMP加权函数(红色为线性基形状函数(绿色)和特征函数(蓝色)的卷积)

 

图:流体在等温多孔介质中流动的数值结果

 

图:水下泥石流模拟。

 

图:地震诱发海底滑坡过程中的剪切应变

文二:

 

一种新的混合方法对潜在滑坡波浪灾害的数值模拟

摘要:

滑坡引起的波浪对人类的生命,财产和基础设施构成了重大风险。滑坡运动的多方面性质与固体流体相互作用相结合使对这些波浪的危害特别具有挑战性。这项研究提出了一种新型的杂化数值方法,用于模拟潜在的陆地滑动诱导的波浪。考虑到残留的坡度强度,并检查了潜在的滑坡位移和速度,采用了物质点方法(MPM)来评估滑坡运动。同时,平滑的粒子流体动力学(SPH)方法用于建模脉冲波的传播特征。这种新方法的有效性是通过两项物理测试确定的。随后,它被用来评估中国潜在滑坡引起的冲动波风险。这些发现表明,最大 波幅度为5.661 m,该波浪幅度达到近距离的居民区75 S后滑坡,以大约2.5 m/s的IMATE速度行驶。还探索了滑坡的剩余强度对冲动波振幅的影响。值得注意的是,残留强度增加了20%,导致峰值波幅度降低了62%。因此,对于衡量与滑坡引起的波浪相关的风险是必不可少的,全面的岩土研究和测试是必不可少的。这项研究为此类波浪提供了有效的数值模拟技术,并为风险评估提供了宝贵的见解。

 

图:MPM和SPH混合数值方法的概念图。

 

图:MPM和SPH混合数值方法的实现策略。

 

图:颗粒柱的快照会塌陷。颜色映射表示偏应变。

 

图:用现有的MPM方法和以前的数值结果比较颗粒柱坍塌的速度和位移。

 

图:王家山滑坡诱发波三维SPH数值模型。

 

图:王家山山体滑坡引致的波的传播在水塘水位825米每秒的计算结果。

文三:

 

模拟两相岩土材料流体力学耦合问题的隐式稳定材料点法

摘要:

在本研究中,基于更新的拉格朗日公式,以固相位移和孔隙水压力为主要变量,开发了一种隐式稳定物质点法(MPM)来模拟不排水/排水条件下的类土两相耦合问题。我们没有在平衡方程中使用柯西应力,而是使用第一个Piola Kirchhoff应力(PK1应力),并严格执行目标Jaumann应力,以解释大变形。为了解决(几乎)不可压缩耦合问题中的数值振荡问题,使用有限差分法(FDM)计算存储在背景网格单元中心的孔隙水压力,Hughes(1980)提出的B-bar方法也被纳入所提出的MPM中,以避免体积锁定问题。通过对各种经典流体力学耦合问题的模拟,并将其与解析解或其他数值模拟进行比较,广泛验证了所提出的隐式MPM的可靠性和鲁棒性。该方法证明了其准确捕捉岩土材料中大变形行为和流体力学相互作用的能力,从而产生稳定可靠的模拟结果。

 

图:两相多孔介质的表示。

 

图:拟建MPM的示意图。

 

图:超孔隙水压力有限差分计算二维示意图:(a)不规则网格;(b) 均匀网格。

 

图:在建议的MPM中更新MP的孔隙水压力的过程。

 

图:局部荷载下的二维固结示意图(a)模型尺寸和边界条件以及(b)荷载历史。

 

图:通过所提出的MPM和FEM计算的超孔隙压力随时间的分布。

文四:

 

一种有效建模FSI问题的局部子域平滑MMALE粒子方法

摘要:

工程实践中普遍存在具有多相流动动力学和结构损伤的流固耦合现象,这给当今的数值流固耦合算法带来了巨大的挑战。本文提出了一种新的局部子域平滑MMALE粒子方法(ls-ALEPM),用于高效准确地模拟大规模FSI问题。为了避免混合FSI速度场引起的伪应变,提出了一种解耦应力更新方案,通过在FSI界面附近引入虚拟速度场来更新固体颗粒的应力。具体来说,它的重映射阶段采用了基于高精度多面体交集的方法,但这很耗时。因此,提出了局部子域平滑方法(LSSM)来加速只涉及计算网格畸变区域的重映射阶段,该方法由畸变子域确定步骤和组合网格平滑步骤组成。组合网格平滑步骤的每次迭代由改进的GETMe和加权平均法组成,如果在规定的最大迭代次数后仍不满足质量标准,则采用超限插值法。通过几个基准数值算例和实际工程模拟验证了ls-ALEPM的有效性和有效性。

 

图:采用浸没边界法的FSI。

 

图:MMALE粒子方法的空间离散化。

 

图:MMALE粒子法解耦应力更新方案的计算过程:(a)从流体和固体中获得节点质量和力;(b) 在网格上求解动量方程;(c) 更新节点和粒子的位置和速度;(d) 虚拟网格的质量和动量是从实体重新映射的;(e) 利用虚拟网格对固体的应变、涡度和应力进行更新;(f) 放弃了虚拟网格,采用真实网格对流体变量进行更新。

 

图:畸变子域确定步骤的计算过程:(a)用第一畸变单元的周围单元得到第一子域;(b) 如果随后失真的单元格在现有子域的最大范围内,则子域被放大;(c) 当随后失真的单元格不在任何子域的最大范围内时,建立新的子域;(d) 所有子域都被获得并且可以彼此重叠;(e) 重叠的子域由阶梯状子域组成;(f) 粒子占据的规则单元被标记为网格的固定边界。

 

图:实验和数值模拟中的损伤与ls ALEPM中的解耦应力更新方案和原始应力更新方法的比较。

 

图:开放式框架建筑与流体域开放式框架结构与流体域

文五:

 

一种求解薄结构大变形的有效固体壳材料点法

摘要:

标准物质点法(MPM)在模拟壳体结构时遇到了严重的数值困难。为了克服锁定效应的不足,背景网格的离散化大小应该足够小,通常小于外壳厚度的1/5,但这将导致高昂的计算成本。提出了一种新的固体壳体物质点法(SSMPM)来有效地模拟薄结构的大变形。SSMPM通过具有六面体颗粒域的壳颗粒来描述壳结构的材料域。然后在SSMPM中引入了固体壳单元的锁定处理,从而校正了整个壳厚度的应变场。即,采用假设自然应变(ANS)方法消除剪切锁定和梯形锁定,而采用增强假设应变(EAS)方法消除厚度锁定。通过对弯曲模式的精确描述,单层粒子和粗糙的背景网格可以用于SSMPM的壳体结构模拟,这大大提高了计算效率。针对壳体与其他物体的接触情况,提出了一种局部多网格接触方法,使SSMPM和MPM自然耦合。通过几个数值算例,包括梁振动、带自由边缘的挤压圆柱体和全半球壳体,验证了SSMPM,表明在这些情况下,SSMPM显著优于标准MPM。基于接触法研究了流体-结构相互作用问题和薄板的穿透问题,结果与文献一致。

 

图:具有粗糙背景网格的MPM的弯曲过程。

 

图:具有精细背景网格的MPM的离散化模型。

 

图:带端部隔板的挤压圆柱体的图解和离散化。

 

图:水柱和弹性壳示意图。

 

图:不同时间的数值结果:(A)SSMPM,(B)ICFMP,(C)CFEMP,(D)PFEM。

 

图:不同时间步长的配置。

来源:STEM与计算机方法
振动断裂多相流多孔介质建筑UG岩土UM理论自动驾驶材料数字孪生人工智能
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首次发布时间:2024-03-03
最近编辑:1月前
江野
博士 等春风得意,等时间嘉许。
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