非饱和夹层土中水-气-热-力多场耦合分析

在修筑公路时,不可避免涉及路基质量控制问题。针对非饱和夹层路基土中水-气-热-力多场耦合问题进行研究,在质量守恒和能量守恒方程中创造性地引入水蒸气和干燥气体非对流通量的影响因素,同时在耦合过程中考虑固体基质和液相的可压缩性的影响,并在动量守恒方程中考虑了土体的热应变与湿应变,利用COMSOL对非饱和夹层土的水-气-热-力多场耦合模型进行求解,将数值解与试验结果进行了对比,验证了所建立数学模型的准确性。基于该数学模型,分析了单层非饱和土与非饱和夹层土体在温度梯度和水力梯度作用下,土体中水分场、气体场以及温度场分布规律的不同,为路基的建设和保护提供了理论指导和依据。     

粘性土变形-渗流耦合特性研究进展

对于土工建筑物,其土体通常同时承受应力变形和渗流作用,应力场和渗流场的相互作用、相互影响,则会产生变形-渗流耦合作用,这种耦合作用通常是导致土方工程失事的主要原因,因此,对于土体变形-渗流耦合作用的研究具有重要的工程实际意义,本文从粘性土渗透性、接触变形渗流特性、变形-渗流耦合数值模拟三个方面对已有研究成果进行综述,在此基础上分析目前研究中存在的问题并提出展望。     

考虑跨肩管土作用的悬跨管道涡激振动特性研究

海底悬跨管道涡激振动是一个复杂的流场-管道结构-跨肩土体耦合问题,其发生机理和振动特性十分复杂,特别是两端跨肩处管土作用对涡激振动的影响有待深入讨论。为此,文章引入了P-y曲线描绘跨肩处管土耦合作用,提出了基于管道位移和速度的新非线性土体弹簧模型,根据能量平衡原理计算土体阻尼,采用尾流振子模型模拟悬跨管段流固耦合作用,建立了考虑流—固—土多场耦合作用的海底悬跨管道涡激振动预报模型,并重点研究了考虑跨肩管土作用时,悬跨管道涡激振动的诸多特性。     

降雨诱发上营村滑坡形成机理的分析

本文利用有限元方法分析在降雨入渗条件下上营村滑坡非饱和土体内部渗流场的变化,再用极限平衡法耦合在渗流场变化情况下上营村滑坡的稳定性。分析表明上营村滑坡在降雨作用下土体的变形过程以及覆盖层底部软弱带的形成;由于长期的降雨使得土体饱水程度变大,滑带处土体的抗剪强度的减弱以致于失稳诱发滑坡。通过对比分析滑坡体的前缘和整体在不同工况下的稳定性从而得出滑坡失稳模式为推移式滑坡。     

考虑流-固耦合的水电站引水隧洞开挖数值模拟

水电站引水隧洞开挖过程中流-固耦合效应对隧洞开挖的影响不容忽视。依托邵阳某水电站引水隧道工程,基于渗流-应力双向耦合理论,建立了流-固耦合作用下的引水隧洞开挖数学模型,并借助多场耦合软件COMSOL对引水隧洞开挖过程中进行了仿真分析,得到了流-固耦合作用下引水隧道开挖过程中地层应力场、渗流场以及位移场的变化规律。计算结果表明:引水隧洞开挖后,四周围岩孔隙水压力均产生了一定的下降,地下水从围岩四周向隧洞内渗透,最终形成漏斗状;地下水在压力差作用下向隧洞内渗透,渗水部位大部分集中在隧洞顶部和边墙位置;渗流场的改变会导致地表产生一定的沉降,不利于开挖区域周边建筑的安全,实际施工时应避免地层孔隙水压力变化较大。实际施工过程应考虑流-固耦合的影响,并采取一定的施工措施确保引水隧洞施工安全。研究成果可为类似工程提供设计和施工经验。     

基于波流耦合模型的加拿大赫卡特海峡水动力模拟研究

利用非结构化网格的波流实时耦合模型模拟了加拿大赫卡特海峡的流场和波浪场。使用实测数据对模型计算结果进行了验证,结果表明耦合模型可以更合理地反映该海域的水动力特征。     

动水压力作用下堤防边坡流固耦合渗流特性研究

将堤防边坡土体简化为由固体土骨架和水组成的饱和介质,考虑动水压力引起的土骨架体积应变,引入堤防边坡土体孔隙率和渗透率的动态变化表达式,运用饱和土力学和流体力学理论构建了动水压力作用下堤防边坡的流固耦合渗流方程。选取某堤防边坡工程实例,借助COMSOL软件进行了数值模拟。研究结果表明:动水压力会引起固体土骨架的压缩变形,土的孔隙率提高,流水的渗流路径较远,在堤防边坡设计和研究时应充分考虑孔隙水渗流压力引起的体积变形;堤防边坡的沉降主要发生在临水边坡一侧,渗流作用引起的边坡沉降较小。     

大直径圆柱壳结构与土体相互作用的一种耦合数值模拟方法

对于大直径圆柱壳结构及其土体分别采用壳单元和沿深度分层施加的三维空间弹簧单元进行模拟,推演了一种耦合数值分析方法,综合考虑了土体特性、土体深度及变形情况等因素。采用壳单元和弹簧单元的耦合数值处理可以有效地模拟大直径圆柱壳结构与土体之间的非线性相互作用机制。通过对实际工程的计算,所得到的圆柱壳结构在荷载作用下的受力状态以及位移与变形分布情况等结果均较为理想。     

箱型沉垫地基吸附力作用机理及影响因素

坐底式平台与自升式平台在浅海油气开发中得到广泛应用。坐底式平台与沉垫式桩脚自升式平台的沉垫在坐底时与海底地基相互作用,产生地基吸附力,而极限地基吸附力的作用机理及其影响因素一直是计算分析的难点。通过土体应力场与渗流场耦合场的非线性分析,提出大尺度箱形沉垫与海底地基吸附力的作用机理及计算方法,并对土体参数、上拔速度和沉垫底部开孔等研究,明确地基吸附力的影响因素,提出减小地基吸附力的可行方案。     

多不连通流域耦合的声介质中三维结构水弹性力学研究

在外流场与结构耦合的声介质中三维结构水弹性力学的基础上,提出多不连通流域耦合的声介质中三维结构水弹性力学计算方法。在计算中增加虚拟阻抗封闭曲面,用来消除不规则频率。在用于处理声弹耦合问题的大型三维水弹性计算程序THAFTS中,增加了多不连通流域耦合的计算功能。以舷间充水双层弹性球壳的结构声辐射问题为考核算例,通过与解析结果的比较,验证了计算方法和计算程序的正确性。     

季冻区组合式矩形渠冻胀数值模拟研究

季节性冻土地区渠道衬砌冻胀破坏现象普遍,在土体冻融环境影响下容易发生开裂、坍塌等破坏现象,这将严重影响渠系工程的安全运行,因此对季冻区渠道衬砌的冻胀破坏研究具有十分重要意义。以实际工程项目为原型,采用有限元方法,基于ABAQUS平台,对组合式矩形渠进行数值模拟分析,研究了一次与多次冻融循环的土体冻结融化规律,分析了冻融循环后土体的残余应力及残余变形,验证了组合式矩形渠在10 a结构强度满足要求,不会影响正常运行。     

强度折减有限元法分析码头岸坡稳定

岸坡稳定问题一直是工程技术界很关心的研究课题。至今,已出现了较多的岸坡稳定分析方法,如极限平衡法、有限元法等。文中就采用有限元法中的强度折减法对某码头岸坡土体的稳定性进行了分析,土体采用弹塑性D-P屈服准则,并考虑了多层土的存在,最终给出该码头岸坡土体的稳定安全系数、土体应力、塑性区和位移场。其分析获得的土体应力、塑性区和位移场是按传统极限方法进行分析所无法得到的。     

高温载荷下带隔热层加筋板结构热力响应研究

隔热材料在船舶领域应用广泛，起到良好的稳定舱室温度的作用，但目前对带隔热层加筋板结构热力响应的研究较少。基于热弹性力学，采用直接热力耦合的方法对有隔热层的加筋板在高温载荷作用下的结构热力响应进行数值模拟，确定了更合理的带隔热层加筋板结构热力分析方法，研究了隔热材料的厚度、导热系数和热膨胀系数对加筋板结构温度场和热应力场的影响；计算了将隔热层覆盖区域进行绝热处理时加筋板结构热力响应结果，并与考虑隔热层的复杂模型热力响应结果进行对比分析。结果表明：有无隔热层对加筋板结构的热力响应结果有极大影响，继续增加隔热层厚度，结构的温度和应力均会增大；隔热材料的热膨胀系数在一定范围内对结构的温度结果和应力结果影响很小；将隔热层覆盖区域进行绝热处理后，结构的温度和应力有所增大，各特征点等效应力最多增大了9.42%，绝热简化模型的计算结果相对保守。研究结果可为船舶结构设计和安全性分析提供技术支撑。     

考虑不同管土作用模型的海底多跨管道动力特性

当前,海底多跨管道涡激振动分析多将管土段简化为固支或简支边界.针对此问题,采用3种更为复杂的土体模型,研究对比不同管土作用对多跨管道涡激振动特性的影响.采用尾流振子模型模拟流-固耦合作用,构建考虑流-固-土多场耦合的悬跨管道涡激振动预报模型,分析不同土体模型下的管道动力学规律.研究结果表明:不同的管土模型会对管道振动产生不同程度的影响,且管土非线性作用会明显制约管道的振动特征,使最大位移幅值和局部应变等发生改变.     

船舶主机热力系统建模及分析

以某远洋船舶主机的热力系统为研究对象,将船舶主机热力系统简化为4个子系统,利用工程热力学及传热学的相关理论,对主机热力系统的具体设备进行热力学分析。通过Matlab中的Simulink工具分别建立热力系统中具体设备的仿真模型,并用模块化建模方法在具体设备模型基础上构建子系统模型,然后通过子系统之间的热力耦合关系组成船舶主机热力系统的整体模型,获取热力系统网络关键节点的流量、压力、温度和热交换量值,从而能够预测出在各种工况下,主机热力管路系统关键节点流体特性。     

改进的等效线性化计算模型及在结构海床耦合系统动力分析中的应用

为探究结构-波浪-海床耦合系统的失稳破坏机理并建立能反映此机理的计算模型,将改进的哈丁模型引入等效线性化方法,使其能反映载荷频率、循环周次以及土体平均有效主应力等多因素的影响。该模型运用于结构-波浪-海床耦合系统的非线性动力响应分析,一方面与标准哈丁模型的计算结果以及在波浪水槽进行的模型实验进行了比较,另方面着重对土体模量退化以及接触面附近土体的强度软化进行了考察,获得了一些明确的认识。     

船舶蒸汽管网水力热力耦合计算方法

船舶蒸汽系统水力热力耦合计算是系统设计、管路布置的理论基础。在城市供热管网计算模型的基础上,针对船舶蒸汽系统管网布置错综复杂、管路附件多的特点,考虑蒸汽的可压缩性、管路及附件的摩擦阻力以及散热等特性,建立适用于船舶蒸汽系统管网的水力热力耦合计算模型,并采用标准四阶龙格—库塔(Runge-Kutta)方法对其进行求解。对某型船舶蒸汽系统的3种工况进行水力热力耦合计算,发现计算结果与试验数据最大误差不超过4.1%,满足工程计算的精度要求,表明所提出的方法能很好地应用于船舶蒸汽系统管网的设计优化和计算分析。     

发射筒热力耦合场下力学性能研究

发射筒是潜载导弹发射装置的重要组成部分,需要有足够的强度和刚度满足不同发射条件。本文结合实验数据,建立仿真模型,通过静力分析得到压力和结构载荷作用下的变形和应力分布;通过温度场分析得出筒上温度分布及温度载荷作用下应力应变情况;通过热力耦合场分析得到发射筒整体变形与应力分布。结果表明:在气压和结构载荷作用下发射筒最大变形1.5 mm,筒底应力125 MPa;温度场下温度自筒底段至筒体段阶梯分布,热应力作用下最大变形3.5 mm,最大应力317 MPa;热力耦合场下发射筒最大变形4.23 mm,最大应力384 MPa。3种工况下分析结果显示温度载荷是影响发射筒应力应变的主要因素,设计时在筒底圆弧面中心处需要加强。     

变工况下船舶艉轴机械密封端面温度场数值分析

以变工况下的船舶艉轴机械密封环为研究对象,采用整体接触耦合法对其进行了热力耦合作用下的温度场有限元计算,重点介绍了船舶艉轴密封环稳态温度场数学计算模型和热流密度载荷的施加思路,依据接触表面的温度连续性条件对变工况时密封端面的接触状况及温度变化趋势进行了分析.结果表明:转速、海水压力以及载荷系数都是引起端面温升的重要原因,各工况下静、动环接触区温度相同,非接触区静环端面温度高于动环,且在热力耦合作用下,密封端面发生锥形变形,呈现开口间隙.     

三峡蓄水对内河大水位差架空斜坡道码头的影响研究

结合重庆某内河架空汽车下河斜坡道码头工程安全性评估和加固方案研究，对码头的库岸稳定性进行了分析。分析中考虑土中水的渗流和土体的变形耦合，求出了在稳定渗流条件下库岸的浸润面，并计算出孔隙水压力。通过分析得到了高填方汽车架空斜坡道桩基的破坏模式、桩内力分布、安全评估策略和加固方案。