离散元-有限元-有限体积法并发型多尺度流固耦合模型研究
项目介绍
AI项目解读
基本信息
- 批准号:11902296
- 项目类别:青年科学基金项目
- 资助金额:26.0万
- 负责人:
- 依托单位:
- 学科分类:A0813.计算固体力学
- 结题年份:2022
- 批准年份:2019
- 项目状态:已结题
- 起止时间:2020-01-01 至2022-12-31
- 项目参与者:--
- 关键词:
项目摘要
The concurrent multiscale fluid solid coupling model for discrete element-finite element-finite volume methods is an essential tool to reproduce the progressive failure process of saturated rock and soil masses. The keys to improving its computational accuracy and efficiency are constructing a coupling strategy that maintains stress continuity between the macroscopic and mesoscopic models and establishing a model adaptivity strategy that makes the sizes of substituted randomly distributed discrete element assembly and replaced finite element matched. Based on the generalized bridging domain method, a concurrent multiscale fluid solid coupling model is proposed in this project. The stresses obtained by statistically averaging the contact forces of discrete elements are applied at the numerical integration points of the finite elements while the displacements interpolated from finite elements are imposed on the artificial boundary of discrete elements. Navier-Stokes equations, which are discretized by finite volume method, are consistently adopted to describe both the macroscopic and mesoscopic pore fluids flows. The relationship between the viscous drag force and the relative pore fluid velocity with respect to rock or soil skeleton is correlated by Ergun, Wen and Yu’s empirical formulas. The Mohr-Coulomb strength condition is chosen as the model adaptivity criterion, the finite element that reaches the adaptive criterion is replaced by discrete element assembly that is randomly generated according to the granular graduation. The proposed concurrent multiscale fluid solid coupling model is used to simulate the progressive failure process of saturated rock and soil masses, cone penetration process in saturated and layered sand is taken as an example. Cone penetration test is performed to validate the established concurrent multiscale fluid solid coupling model.
离散元-有限元-有限体积法并发型多尺度流固耦合模型是再现饱和岩土体渐进破坏过程的重要手段。构建能够保持宏细观模型间应力连续的耦合策略及使替换的随机离散元颗粒集合与被替换的有限单元大小相匹配的模型自适应策略是提高其计算精度和效率的关键。本项目基于广义桥域法构建并发型多尺度流固耦合模型,在有限元的数值积分点上施加由离散元接触力统计平均的应力,在离散元的截断边界上施加有限单元的插值位移。采用由有限体积法离散的Navier-Stokes方程统一描述宏细观孔隙流体的流动,粘性拖拽力与孔隙流体-岩土骨架相对运动速度的关系由Ergun,Wen和Yu经验公式关联。选取摩尔-库伦强度条件作为模型自适应准则,采用按颗粒级配随机生成的离散元颗粒集合替换达到自适应准则的有限单元。多尺度数值模拟饱和岩土体的渐进破坏过程(以饱和成层砂土的静力触探过程为例),并通过静力触探试验验证所构建的并发型多尺度流固耦合模型。
结项摘要
岩土体的渐进破坏过程严重威胁着我国人民的生命和财产安全。准确地模拟岩土体的渐进破坏过程是当前国民经济发展的迫切需求。本项目研究一种离散元-有限元-有限体积法并发型多尺度流固耦合模型并开发相应的软件平台来再现饱和岩土体的渐进破坏过程。构建能够保持宏细观模型间应力连续的耦合策略及使替换的随机离散元颗粒集合与被替换的有限单元大小相匹配的模型自适应策略是提高其计算精度和效率的关键。本项目首先基于广义桥域法构建并发型多尺度流固耦合模型,在有限元的数值积分点上施加由离散元接触力统计平均的应力,在离散元的截断边界上施加有限单元的插值位移。采用由有限体积法离散的Navier-Stokes方程统一描述宏细观孔隙流体的流动,粘性拖拽力与孔隙流体-岩土骨架相对运动速度的关系由Ergun,Wen和Yu经验公式关联。选取摩尔-库伦强度条件作为模型自适应准则,采用按颗粒级配随机生成的离散元颗粒集合替换达到自适应准则的有限单元。提出基于快速傅里叶变换的改进均化分析方法关联岩土体的宏细观参数。在此基础上,开发岩土体渐进破坏过程的离散元-有限元-有限体积法并发型多尺度流固耦合分析平台及岩土体宏细观参数的均化分析程序。对岩土体的细观多孔结构开展均化分析获得宏观等效参数,结果表明改进的均化分析方法能够很好地关联岩土体的宏细观参数。多尺度数值模拟岩土体的渐进破坏过程,结果表明本项目所提出的基于广义桥域法的离散元-有限元-有限体积法并发型多尺度流固耦合模型能够保持宏细观不同尺度模型间的应力连续。岩土体的渐进破坏过程,尤其是宏细观模型参数的演化规律,关心区域的细观演变规律,得到了有效地预测。
项目成果
期刊论文数量(8)
专著数量(0)
科研奖励数量(0)
会议论文数量(0)
专利数量(0)
Numerical simulations of arbitrary evolving cracks in geotechnical structures using the nonlinear augmented finite element method (N-AFEM)
使用非线性增强有限元法 (N-AFEM) 对岩土结构中任意演化裂纹进行数值模拟
- DOI:10.1016/j.mechmat.2021.103814
- 发表时间:2021-05
- 期刊:Mechanics of Materials
- 影响因子:3.9
- 作者:Chengbao Hu;Qingda Yang;Daosheng Ling;Fubin Tu;Liang Wang;Shilin Gong
- 通讯作者:Shilin Gong
Damage detection in cementitious materials with optimized absolute electrical resistance tomography
通过优化的绝对电阻断层扫描检测水泥材料的损伤
- DOI:10.1177/14759217211059066
- 发表时间:2022-01
- 期刊:Structural Health Monitoring
- 影响因子:--
- 作者:Xiaoyong Zhou;Jiahui Wang;Fubin Tu;Prakash Bhat
- 通讯作者:Prakash Bhat
An FFT‐based Galerkin method for the effective permeability of porous material
基于 FFT™ 的伽辽金法计算多孔材料的有效磁导率
- DOI:10.1002/nme.7065
- 发表时间:2022-06
- 期刊:International Journal for Numerical Methods in Engineering
- 影响因子:2.9
- 作者:Fubin Tu;Jun Tong;Menghui Wang;Zongwu Chen;Shunchao Qi
- 通讯作者:Shunchao Qi
Stress continuity in DEM-FEM multiscale coupling based on the generalized bridging domain method
基于广义桥域法的DEM-FEM多尺度耦合中的应力连续性
- DOI:10.1016/j.apm.2020.02.030
- 发表时间:2020
- 期刊:Applied Mathematical Modelling
- 影响因子:5
- 作者:Tu FB;Jiao YY;Chen ZW;Zou JP;Zhao ZY
- 通讯作者:Zhao ZY
Subdomain integration method of electrical resistance tomography for multiple flaws detection in cementitious materials
胶凝材料多缺陷电阻层析成像子域积分方法
- DOI:10.1177/14759217211060274
- 发表时间:2021-12
- 期刊:Structural Health Monitoring
- 影响因子:--
- 作者:Xiaoyong Zhou;Fubin Tu;Jiahui Wang;Qinggang Li
- 通讯作者:Qinggang Li
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其他文献
凿岩机钻头破岩机理分析及岩体可掘性预测
- DOI:--
- 发表时间:2022
- 期刊:武汉大学学报(工学版)
- 影响因子:--
- 作者:尤明龙;谭飞;焦玉勇;涂福彬;田湖南
- 通讯作者:田湖南
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