波浪作用下斜坡上护面块体断裂破坏的数值模拟

基于FEM/DEM方法建立原型尺度数值模型,模拟波浪荷载作用下斜坡上护面块体内部的应力分布和断裂破坏过程。其中结构物所受的波浪力采用微幅波的理论解计算,块体之间的运动、接触以及块体变形采用FEM/DEM方法模拟。采用基于势函数的罚函数法计算块体之间的接触力,采用Single/Smeared破坏模型模拟混凝土块体开裂,采用中心差分法的显式积分算法进行数值求解计算。分别采用文中数值模型与ANSYS模型对自重作用下块体的应力进行比较分析,给出了块体碰撞破坏的两种形式,验证了数值模型应力和变形计算的精度。通过数值模拟给出了不同波浪荷载下斜坡上护面块体的运动、内部应力分布、裂缝形成和断裂过程,给出了不同点的应力历时曲线,探讨了块体的应力变化和断裂破坏的特性。     

波浪对单一四脚空心方块作用的三维SPH数值模拟

基于光滑粒子流体动力学(SPH)方法建立了波浪与斜坡堤护面块体相互作用的三维数值模型,模拟了单个固定四脚空心方块在规则波作用下的水动力变化特性。应用此模型分析了块体与规则波作用过程中流场变化以及波压力变化,为建立斜坡堤全地形数值水槽奠定基础。     

考虑护面块体影响的越浪数值模拟

为了在斜坡堤数值计算中考虑护面块体的影响,借鉴海绵阻尼层的消波方式,在湍流模型的控制方程中引入等效护面块体系数μ*的概念,并将等效系数μ*与规范中常用的糙渗系数KΔ相联系,构建了基于糙渗系数KΔ求解等效系数μ*的数值转换途径。该方法拓展了波浪数值模型的应用范围,在波浪与结构物相互作用的数值研究方面具有新意。     

人工块体护面斜坡堤越浪模拟的非静压模型研究

基于非静压波浪模型SWASH,提出了采用等效底摩阻的方法模拟人工块体护面斜坡堤越浪的方法。采用曼宁系数作为等效摩阻系数,可以较好地反映人工块体护面斜坡堤的越浪变化;非静压模型的等效摩阻方法可以合理估计越浪量并且具有较高的计算效率,可以用于估算实际工程条件下越浪量分布。     

不规则波作用下斜坡堤越浪的数值模拟

基于OpenFOAM建立三维数值波浪水槽生成不规则波,利用体积平均的RANS方程和包含非线性项的渗流方程描述斜坡堤内部的水体流动,通过网格划分工具对斜坡堤外层扭王护面块体进行全尺度精细划分模拟,研究了正向入射不规则波与扭王块体护面斜坡堤的相互作用。模型模拟实验室尺度及原型尺度斜坡堤得到的平均越浪量分别与试验结果及按照重力相似准则换算原型结果吻合较好,所建立的数值模型可以描述实际工况下扭王块体护面斜坡堤的越浪过程。     

波陡对于扭王字块稳定性影响的试验研究

对于护面块体稳定重量的计算,目前最为常用的Hudson公式在计算护面块体稳定重量时,只考虑了波高的影响,没有考虑波陡对于护面块体稳定重量的影响。文章以两种不同重量的扭王字块作为斜坡提的护面块体,考虑3种不同的斜坡堤坡度,采用不同波陡的波浪进行护面块体稳定性的物理模型试验研究。结果表明,波浪的波陡对于护面块体的稳定性具有影响,对于同一重量的扭王字块,护面块体失稳波高随波陡减小和斜坡堤坡度变陡而减小;K_d数随波陡的增大而增大。     

基于SPH的浮式防波堤消波效果分析研究

浮式防波堤是一类布置在近海区域或浅水流域的重要海洋工程结构物,主要作用是避免从远海传播的波浪对其附近水域内的船舶或其他浮式结构物的安全作业环境构成威胁,提供一个较为平稳的区域水体环境。文章使用光滑粒子流体动力学(Smoothed Particle Hydrodynamics,SPH)方法,基于悬链线方程理论,开展浮式防波堤与系泊系统耦合水动力数值分析方法的研究。基于流固耦合理论,编写SPH计算程序,数值求解浮式防波堤在不同波浪载荷下的运动特征,分析影响防波堤消波特性的主要因素。     

基于FLUENT扭王字块体护面斜坡堤越浪量的数值研究

采用FLUENT软件对斜坡堤越浪进行数值模拟,可以通过改变多孔介质区中的惯性阻力系数来模拟护面块体消浪作用的大小,但不同护面块体对应的惯性阻力系数不同,如何具体确定惯性阻力系数的值是数值模拟计算斜坡堤越浪量的难点所在。基于FLUENT软件平台并结合斜坡堤越浪的物模试验,综合考虑多种影响因素,运用多元回归方法,给出了扭王字块体的惯性阻力系数的计算公式;在此基础上,对比越浪量的数模计算值与物模试验值,二者吻合良好,表明文中构建的数值方法合理有效,可以较为准确地计算扭王字块体护面斜坡堤越浪量,为FLUENT软件数值模拟计算扭王字块体护面斜坡堤越浪量的研究开辟了一条新途径。     

斜坡式防波堤的可靠性分析

对港口工程中常用的可靠度计算方法进行阐述,给出了斜坡堤护面块体稳定性可靠性分析的功能函数,介绍了港口工程中常用的单变量极值分布。以秦皇岛水文观测数据为基础,统计换算斜坡堤护面块体的质量,采用极值分布理论对护面块体的计算质量进行分布拟合,对比得出对数正态分布可以对护面块体质量分布进行较好的适线。从算例计算结果对比中可以发现,Monte Carlo模拟的可靠度指标计算结果比验算点法的计算结果低。两种方法计算的可靠度指标均比规范要求的低。利用Monte Carlo模拟计算结构可靠度,选择合理的模拟次数即可。     

基于BEM与VOF耦合模型的潜堤附近波浪变形研究*

BEM和VOF方法是目前模拟近岸波浪变形的2种有效方法。以这2种模型为基础构建了一个前域应用BEM、后域应用VOF方法的波浪数值计算耦合模型（BEM+VOF模型）,并应用该模型对波浪越过水下潜堤的波面变形过程进行研究。结果表明,计算值与实验值吻合良好,说明本文建立的波浪耦合模型可以很好地模拟波浪和结构物的相互作用。     

海堤前特殊地形对护面块体稳定性影响及对策

通过在波浪水槽内对海堤护面块体稳定性物理模型试验,发现在堤前存在特殊地形的条件下,波浪传播该区域后发生变形、破碎,形成的波能集中冲击范围内护脚人工块体,导致其失稳,进而使断面上整个护面块体向海侧滑移失稳。文章分析了块体失稳原因和影响因素,并从设计角度提出多种针对特殊地形下人工块体失稳的改善措施。     

STEM波作用下斜坡式结构护面块体稳定性的物理模型研究

文章通过对规范公式、断面物理模型及三维物理模型试验结果的对比,对STEM波作用下护面块体的稳定性进行验证,分析失稳原因,提出加强稳定性的措施。通过不同手段得到结果的对比,三维模型试验对表现复杂波浪对结构物的影响效果较好,得到的结果远大于公式计算和断面模型试验结果,可以有效保证工程安全。     

基于设计波法的舰船整船有限元强度分析

基于谱分析法对舰船剖面波浪载荷进行长期预报并确定设计波参数.利用有限元软件MSC.Patran 建立了全船有限元模型,通过PCL语言实现设计波波浪压力对船体湿表面有限元网格的自动加载.对2个设计波下的整船有限元进行分析,结果表明:整船分析不仅能真实表现舰船整体总纵变形和应力水平,还能充分考虑局部载荷对结构响应的影响.另外,基于三维水动力理论分析船体运动和剖面载荷进而确定设计波参数的过程,克服了传统经验公式估算载荷所导致的结果的不确定性和强度校核的不合理性.     

胜利油田海堤工程护面块体选型

结合海堤工程的不同断面形式,以水工物理模型试验作为主要研究手段,验证海堤在不同工况条件下在临界破碎波高作用下的护面块体稳定性。通过比较分析两种护面块体形式的稳定性试验的相关数据,最终确定适用于胜利油田海堤工程的合理经济的护面块体形式。     

无粘结柔性管抗拉伸层结构分析

柔性管抗拉伸层是复杂的空间螺旋线结构,其结构响应分析对柔性管疲劳分析、强度分析和屈曲分析有重要作用。文章基于曲梁理论,应用斜驶螺旋线假设和测地线假设两种空间曲线公式,以空间细长杆理论及胡克定律本构方程为基础,采用格林应变张量与第二Kirchoff应力张量度量,对深海无粘结柔性管抗拉伸层螺旋形钢缆结构平衡方程进行了推导,编写了分析程序。利用该程序,分析了抗拉伸层钢缆在轴对称载荷下和弯矩作用下的曲率变化和结构响应;同时利用三维直梁有限元模型与曲梁有限元模型建立数值模型,将程序结果与数值模拟模型结果进行了对比,证明了结果可行性。该结果可为柔性管抗拉伸层结构设计提供快速的预估计方法。     

顶浪、斜浪中复合材料双体艇艇体结构耦合响应数值分析

采用流固耦合（Fluid-Structure Interaction,FSI）的艇体波浪载荷和结构响应的数值分析方法,对顶浪、斜浪中复合材料双体艇结构的动态响应进行研究。分别建立了完整的复合材料艇体有限元模型以及流场模型,基于数值水池造波技术,通过计算获得了顶浪、斜浪中复合材料艇体结构的时域动态响应结果,选取高应力梯度区域,通过网格加密重构同时获得了复合材料的层间应力。选取具有代表性的前10大等效应力与内外面板最值主应力,在将 FSI与传统基于经验公式的有限元法（Finite Element Method,FEM）的结果对比中发现,FSI中拱、中垂的计算结果更接近于 FEM弯扭组合工况,而采用《钢制双体船直接计算指南》计算复合材料双体艇时,所用经验公式的顶浪航行波浪载荷计算值偏小。     

溃坝模拟的光滑粒子流体动力学方法及其粘性特性(英文)

Smoothed particle hydrodynamics (SPH) is a Lagrangian meshless particle method. It is one of the best method for simulating violent free surface flows in fluids and solving large fluid deformations. Dam breaking is a typical example of these problems. The basis of SPH was reviewed, including some techniques for governing equation resolution, such as the stepping method and the boundary handling method. Then numerical results of a dam breaking simulation were discussed, and the benefits of concepts like artificial viscosity and position correction were analyzed in detail. When compared with dam breaking simulated by the volume of fluid (VOF) method, the wave profile generated by SPH had good agreement, but the pressure had only reasonable agreement. Improving pressure results is clearly an important next step for research.     

波浪作用下灌砌块石海堤的护面稳定性

通过物理模型试验,对一种新型的海堤护面结构形式——灌砌块石护面的稳定性进行研究,总结了波浪作用下灌砌块石护面失稳破坏的发展过程。研究结果表明:灌砌块石稳定性随破波参数的增大而减小、随开孔率的增大而增大,同时镇压层的设置有利于提高灌砌块石的稳定性。结合前人关于砌石护面稳定性的研究成果,给出了不同开孔率下灌砌块石护面稳定厚度计算公式。     

海底子母管线在规则波作用下的数值研究

采用三步有限元法离散N-S方程,建立了数值波浪水槽模型。数值研究了规则波作用下海底子母管结构的水动力特性。对海底子母管线所受波浪力的数值结果与物模实验结果进行比较。基于该数值模型,还考察了不同的子母管间相对缝隙G/D(0.1,0.25,0.5,0.75)对海底子母管线水动力特性的影响。分析得到了不同G/D下海底子母管线的涡脱落特性以及管线水动力系数随G/D的变化规律。结果表明,数值结果和实验结果吻合较好,该数值波浪水槽模型可用来计算波浪作用在海底子母管线上的水动力。关于不同G/D,得到了2种不同的涡脱落模式,在G/D较小(0.1,0.25)时,为"反相同步脱落"模式,在G/D较大(0.5,0.75)时,为"同相同步脱落"模式。     

基于SPH法的冰与船舶螺旋桨碰撞数值模拟

在结冰海域航行的船舶螺旋桨会因受到冰块的撞击而出现严重的损坏。该文建立了冰—桨碰撞计算模型,冰模型采用SPH(光滑粒子流体动力学)法,运用非线性有限元软件ANSYS/LS-DYNA数值模拟了螺旋桨与冰在不同速度、位置下碰撞和螺旋桨与不同半径冰碰撞下的动态响应。对比研究了在以上单一碰撞因素下桨的变形、单元最大应力以及碰撞过程中产生的碰撞力等响应差异,定性地得出上述因素对冰—桨碰撞的影响规律,为船舶螺旋桨抗冰性能的结构设计提供参考。