基于DEM-PFV耦合模型的波浪作用下海床动力响应研究

发布时间：2020-08-08 22:01

【摘要】：波浪荷载对近岸及海上结构物的稳定性有着重大的影响,海床在循环波浪作用下会出现变形、软化、液化等现象,丧失自身承载力导致危及其上部结构物的安全。本文基于开源离散元法软件Yade,通过耦合离散元方法(DEM)和孔隙尺度有限体积法(PFV)来建立DEM-PFV耦合模型,并改进模型中的对波浪作用部分的模拟。通过在海床表面加载波压数据,模拟规则波作用和不规则波作用下的不同土体性质海床的液化。本文的主要结论及成果如下:(1)基于开源离散元(DEM)软件Yade,在固相部分采用离散元方法(DEM)和在液相采用孔隙尺度有限体积法(PFV)相耦合建立DEM-PFV模型,分析波浪作用下多孔介质海床的动力响应。(2)对建立的数值模型进行验证,通过与实验解、解析解和数值解结果进行对比验证模型合理性。对模型中选取代表颗粒粒径进行敏感性分析,得知适当增大颗粒粒径(小于提取最小尺度的1/6),不仅不影响模拟结果,而且可以减小算例中的颗粒数,进而有效地提高计算效率。(3)分析了规则波作用下,考虑海床土体的孔隙率和弹性模量两个变量对海床孔隙水压力变化和液化情况的影响,并且分析海床土体性质的动态变化,如孔隙率、颗粒总动能等。结果显示:在砂质海床中,通过减小孔隙率和增强弹性模量会降低海床孔隙率变化和颗粒运动,能够有效地增强海床土体在规则波作用下的抗液化能力;而且观察到海床在波浪作用下发生密实过程和液化现象。(4)分析了不规则波作用下,不同孔隙率和不同弹性模量海床土体的孔隙水压力变化和液化情况以及海床土体性质的动态变化。与规则波作用下结论一致,通过减小孔隙率和增加弹性模量能有效地增强砂质海床的抗液化能力。和规则波相比,不规则波由于有波压特大值的出现,对海床土体的稳定性影响更大。
【学位授予单位】：天津大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2018
【分类号】：P75
【图文】：

计算流程,作用力,球形颗粒,运动方程

球形颗粒的重要的优点来源于相对简单的几何形式，当两个颗粒的中心距离小于它们的半径时视为颗粒间在相互作用。图2-1 颗粒间作用力计算流程2.1.2 接触模型离散单元法描述碰撞的过程就是接触的产生和发生作用的过程，描述两个颗粒之间相互作用力的接触模型是 DEM 模型的关键。除了球形颗粒，经典的 DEM模型还包括外壁，起到压实和限制的目的，壁面允许将速度边界条件应用于颗粒，球形颗粒和壁面之间通过接触处产生的力彼此相互作用。每个球体满足运动方程，但是外壁运动方程不满足运动方程，作用在外壁上的力量不影响其运动，而且其运动由用户指定并且保持恒定。此外，接触力不能在两个外壁之间形成，因此接

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ib 和壁面 w 之间的相互作用。对于这两种类型的相互作用力都源于某一点发生的接触。为相互作用力定义了本地参考系（C, n, t）（见图 2-2.c）。接触点 C ix 在两个实体的共同体积内，并且表示所得到的相互作用力Fc的作用点。它位于一个接触平面上，由一个单位法向量n定义，用于球体接触，作为沿着球体中心之间的直线指向的法向量；而对于球壁接触，作为沿球体中心和外壁之间最短距离的法向量。对于球体接触，我们有：[ ] [ ][ ] [ ]{ }A BA B x xnx x(2.4)定义单位向量t：t n=0(2.5)然后将接触力分解成沿着法向量方向的正向分量Fn和作用在接触平面中的剪切分量Fs。颗粒之间距离最终定义为： n [ ] [ ] [ ] [ ]{ }A B A Bi iU x x R R(2.6)球壁之间相互作用的表达式展示在图 2-2。

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天津大学硕士学位论文12图2-2 （续）接触模型（a. 球与球 b. 球与壁面 c. 接触力的分类）（引自文献[66]）2.1.2.2 接触刚度接触本构模型作为描述颗粒间相互作用的局部几何的函数，用于计算式（2.1）中的接触力和接触力矩。所得到的接触力的分量为颗粒间距的函数。在模拟过程中，这种距离可能会得到负数。虽然通常认为这种负距离为颗粒发生重叠，但是根据“软接触”方法，这表示接触区附近的固体材料的变形。根据式（2.6）定义应变 δc：n nn00 0cU UU (2.7)在相互作用下存在摩擦时，接触力也将具有切向分量，其在每个时间步长处作为切向相对位移增量 us的函数计算。采用正向刚度 kn和切向刚度 kt是定义接触力最简单且常见的方法（见图 2-3）[49]。接触力的正向分量Fn定义如下：n n c=F =k nF n n(2.8)1 21 22nRRk = ER R(2.9)t nk ak(2.10)其中，E 是颗粒的弹性模量，R1和 R2是颗粒的半径，a 是一个定义切向刚度与正向刚度之间的比例系数。在每个时间步长处计算切

【参考文献】