計(jì)算顆粒力學(xué)及工程應(yīng)用
計(jì)算顆粒力學(xué)是以顆粒材料為研究對(duì)象，在經(jīng)典力學(xué)的基礎(chǔ)上進(jìn)一步結(jié)合顆粒物理、計(jì)算力學(xué)、軟件工程等諸多學(xué)科的一個(gè)新興的交叉學(xué)科。考慮顆粒材料與流體介質(zhì)、工程結(jié)構(gòu)的耦合作用，對(duì)其共同組成的復(fù)雜顆粒系統(tǒng)進(jìn)行高性能數(shù)值分析是一種可行的研究途徑。為此，本書首先討論當(dāng)前計(jì)算顆粒力學(xué)的發(fā)展現(xiàn)狀，然后系統(tǒng)地闡述顆粒形態(tài)構(gòu)造、接觸模型、宏細(xì)觀分析、流固耦合、多尺度計(jì)算和相關(guān)計(jì)算軟件開發(fā)等計(jì)算顆粒力學(xué)的基本方法，*后相對(duì)詳細(xì)地介紹計(jì)算顆粒力學(xué)在極地海洋工程、有砟鐵路道床動(dòng)力特性和航空著陸器緩沖特性等方面的工程應(yīng)用。
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目錄
前言
第1章 緒論 1
1.1 顆粒力學(xué)的工程需求 1
1.2 顆粒材料的基本物理力學(xué)特性 6
1.2.1 摩擦定律對(duì)顆粒材料力學(xué)發(fā)展的啟蒙 7
1.2.2 糧倉(cāng)效應(yīng)對(duì)顆粒材料力學(xué)發(fā)展的推動(dòng)作用 7
1.2.3 顆粒材料的擠壓及剪切膨脹 8
1.2.4 顆粒材料的流動(dòng)狀態(tài) 9
1.3 計(jì)算顆粒力學(xué)的計(jì)算分析軟件 12
參考文獻(xiàn) 13
第一部分 計(jì)算顆粒力學(xué)的基本理論
第2章 非規(guī)則顆粒單元的構(gòu)造 19
2.1 基于球體單元的粘結(jié)與鑲嵌顆粒單元 19
2.1.1 基于球體單元的粘結(jié)模型 20
2.1.2 鑲嵌顆粒模型 21
2.2 超二次曲面顆粒單元 25
2.2.1 超二次曲面顆粒單元 26
2.2.2 基于超二次曲面的橢球體顆粒單元 29
2.3 多面體及擴(kuò)展多面體單元 30
2.3.1 多面體單元 30
2.3.2 基于Minkowski Sum的擴(kuò)展多面體 32
2.4 新型非規(guī)則顆粒單元 34
2.4.1 隨機(jī)星形顆粒模型 34
2.4.2 B 樣條函數(shù)模型 35
2.4.3 組合幾何單元法 36
2.4.4 勢(shì)能顆粒單元 37
2.5 小結(jié) 38
參考文獻(xiàn) 39
第3章 顆粒材料的細(xì)觀接觸模型 43
3.1 球形顆粒的粘彈性接觸模型 44
3.1.1 線性接觸模型 45
3.1.2 非線性接觸模型 46
3.2 球形顆粒的彈塑性接觸模型 49
3.2.1 法向彈塑性接觸模型 49
3.2.2 切向彈塑性接觸模型 51
3.3 球形顆粒的滾動(dòng)摩擦模型 52
3.3.1 滾動(dòng)摩擦定律 53
3.3.2 球體單元的滾動(dòng)摩擦模型 54
3.4 球形顆粒的粘接{破碎模型 56
3.5 非球形顆粒的接觸模型 60
3.5.1 超二次曲面單元間的接觸模型 60
3.5.2 擴(kuò)展多面體的接觸模型 62
3.6 顆粒間的非接觸物理作用 65
3.6.1 球形顆粒的粘連接觸力 65
3.6.2 濕顆粒間的液橋力 68
3.6.3 顆粒間的熱傳導(dǎo) 71
3.7 小結(jié) 78
參考文獻(xiàn) 79
第4章 顆粒材料的宏細(xì)觀分析 84
4.1 基于平均場(chǎng)理論的顆粒材料計(jì)算均勻化方法 84
4.1.1 摩擦接觸問題的變分表述 85
4.1.2 宏、細(xì)觀兩尺度上的邊值問題 87
4.1.3 基于均勻場(chǎng)理論的顆粒材料宏、細(xì)觀尺度求解過程 90
4.2 顆粒材料應(yīng)力場(chǎng)的細(xì)觀分析 92
4.2.1 顆粒材料微觀拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)的平均應(yīng)力描述 93
4.2.2 顆粒集合體的應(yīng)力表征 97
4.2.3 基于虛功原理顆粒材料的宏觀應(yīng)力描述 99
4.2.4 Cosserat連續(xù)體內(nèi)顆粒集合體表征元的平均應(yīng)力 104
4.3 顆粒材料應(yīng)變場(chǎng)的細(xì)觀分析 107
4.3.1 Bagi的應(yīng)變定義 107
4.3.2 Kruyt-Rothenburg的應(yīng)變定義 108
4.3.3 Kuhn的應(yīng)變定義 109
4.3.4 Cundall的最優(yōu)擬合應(yīng)變定義 110
4.3.5 Liao等的最優(yōu)擬合應(yīng)變定義 112
4.3.6 Cambou等的最優(yōu)擬合應(yīng)變定義 112
4.3.7 李錫夔等的體積應(yīng)變定義 113
4.4 小結(jié) 115
參考文獻(xiàn) 116
第5章 顆粒材料的離散元{有限元耦合分析 119
5.1 連續(xù)體向離散材料轉(zhuǎn)化的 DEM-FEM 耦合方法 119
5.1.1 接觸算法 120
5.1.2 單元的變形 123
5.1.3 材料的破壞模型 125
5.2 連續(xù)體與離散材料連接的 DEM-FEM耦合方法 131
5.2.1 耦合區(qū)間控制方程的弱形式 131
5.2.2 耦合界面力的求解 133
5.2.3 耦合點(diǎn)搜索 136
5.3 連續(xù)體與離散材料相互作用的 DEM-FEM 耦合方法 137
5.3.1 顆粒與結(jié)構(gòu)物接觸的全局搜索判斷 138
5.3.2 顆粒與結(jié)構(gòu)物的局部搜索判斷 142
5.3.3 接觸力的傳遞 145
5.4 小結(jié) 148
參考文獻(xiàn) 149
第6章 顆粒材料的流固耦合分析 153
6.1 顆粒材料與流體耦合的 DEM-CFD方法 153
6.1.1 顆粒離散項(xiàng)基本控制方程 153
6.1.2 CFD-DEM 耦合的求解方法 154
6.1.3 流體域控制方程 154
6.1.4 流體與固體顆粒之間的動(dòng)量交換 154
6.1.5 流體體積分?jǐn)?shù) 156
6.1.6 對(duì)流傳熱項(xiàng) 156
6.2 顆粒材料與流體耦合的 DEM-SPH 方法 159
6.2.1 SPH的函數(shù)和粒子近似 159
6.2.2 Navier-Stokes的 SPH形式 160
6.2.3 不可壓縮流體的 PCISPH方法 163
6.2.4 DEM-SPH耦合模型 165
6.3 顆粒材料與流體耦合的 DEM-LBM 方法 170
6.3.1 格子Boltzmann法 171
6.3.2 DEM-LBM耦合的浸沒邊界法 175
6.3.3 DEM-LBM耦合方法的應(yīng)用 177
6.4 小結(jié) 180
參考文獻(xiàn) 181
第7章 基于GPU并行的離散元高性能算法及計(jì)算分析軟件 187
7.1 離散元計(jì)算分析軟件的發(fā)展現(xiàn)狀 187
7.1.1 GPU并行技術(shù) 187
7.1.2 離散元計(jì)算分析軟件的發(fā)展現(xiàn)狀 188
7.2 基于CUDA編程的離散元數(shù)值算法 193
7.2.1 CUDA的并行軟硬件架構(gòu) 194
7.2.2 多機(jī)/多GPU環(huán)境的離散元算法 196
7.3 基于GPU的顆粒接觸高效搜索方法 198
7.3.1 網(wǎng)格和顆粒的關(guān)系 198
7.3.2 接觸對(duì)鄰居列表的建立 201
7.3.3 顆粒接觸力序列的計(jì)算 202
7.4 基于GPU并行算法的離散元計(jì)算分析軟件 204
7.5 小結(jié) 206
參考文獻(xiàn) 206
第二部分 計(jì)算顆粒力學(xué)的工程應(yīng)用
第8章 海洋平臺(tái)及船舶結(jié)構(gòu)冰荷載的離散元分析 211
8.1 海冰材料的離散元方法及計(jì)算參數(shù)的確定 211
8.1.1 海冰材料的離散單元構(gòu)造 211
8.1.2 海冰壓縮和彎曲強(qiáng)度的離散元分析 216
8.1.3 海冰離散元模擬的主要計(jì)算參數(shù) 220
8.1.4 粘結(jié)海冰單元間的失效準(zhǔn)則 221
8.1.5 顆粒尺寸影響下的海冰強(qiáng)度離散元模擬 224
8.2 海冰與固定式海洋平臺(tái)結(jié)構(gòu)相互作用的離散元分析 225
8.2.1 直立腿結(jié)構(gòu)冰荷載的離散元分析 225
8.2.2 錐體海洋平臺(tái)結(jié)構(gòu)冰荷載的離散元分析 228
8.2.3 多樁腿錐體導(dǎo)管架平臺(tái)結(jié)構(gòu)的冰荷載遮蔽效應(yīng) 231
8.2.4 自升式海洋平臺(tái)結(jié)構(gòu)冰荷載的離散元分析 236
8.3 海冰與浮式平臺(tái)及船舶結(jié)構(gòu)相互作用的離散元分析 238
8.3.1 浮式海洋平臺(tái)的冰荷載分析 238
8.3.2 船舶在冰區(qū)航行的DEM模擬 241
8.4 冰激海洋平臺(tái)結(jié)構(gòu)振動(dòng)的DEM-FEM耦合分析 243
8.4.1 冰激導(dǎo)管架平臺(tái)DEM-FEM耦合方法 243
8.4.2 基于DEM-FEM方法的冰激導(dǎo)管架平臺(tái)振動(dòng)分析 246
8.5 海洋結(jié)構(gòu)冰載荷的擴(kuò)展離散單元模擬 250
8.5.1 碎冰與海洋平臺(tái)樁腿、船體結(jié)構(gòu)的相互作用 251
8.5.2 平整冰與船體結(jié)構(gòu)的相互作用 254
8.6 核電站取水口海冰堆積特性的離散元分析 256
8.6.1 取水口海冰堆積的數(shù)值模擬 256
8.6.2 海冰堆積特性的影響因素分析 258
8.7 海冰動(dòng)力學(xué)的粗粒化離散元模型 260
8.7.1 海冰粗�；x散元模型 261
8.7.2 規(guī)則區(qū)域內(nèi)海冰動(dòng)力過程的數(shù)值模擬 263
8.7.3 渤海海冰動(dòng)力過程的數(shù)值模擬 268
8.8 小結(jié) 271
參考文獻(xiàn) 271
第9章 有砟鐵路道床動(dòng)力特性的離散元分析 275
9.1 道砟顆粒壓碎特性的離散元模擬 275
9.1.1 單道砟顆粒破碎的離散元模擬 275
9.1.2 單道砟顆粒破碎試驗(yàn)驗(yàn)證 278
9.2 有砟鐵路道床動(dòng)力沉降特性的離散元分析 281
9.2.1 非規(guī)則形態(tài)道砟顆粒的構(gòu)造 282
9.2.2 道砟箱的離散元構(gòu)造 282
9.2.3 往復(fù)荷載下道砟材料的累積沉降量和形變模量 283
9.3 沙石混合體剪切強(qiáng)度的離散元分析 286
9.3.1 道砟材料直剪試驗(yàn)的離散元數(shù)值模擬 286
9.3.2 道砟含量對(duì)抗剪切強(qiáng)度的影響及力鏈分析 289
9.4 有砟{無砟過渡段動(dòng)力特性的DEM-FEM耦合分析 291
9.4.1 有砟鐵路道床DEM和FEM間的耦合算法 291
9.4.2 有砟{無砟過渡段的DEM-FEM數(shù)值模型 296
9.4.3 有砟{無砟過渡段的沉降分析 299
9.4.4 考慮道砟顆粒嵌入無砟道床的DEM-FEM耦合分析 300
9.5 有砟鐵路道床動(dòng)力特性的擴(kuò)展多面體單元模擬 302
9.5.1 道砟箱試驗(yàn)的擴(kuò)展多面體單元模擬 302
9.5.2 不同加載頻率下道床的沉降 305
9.6 小結(jié) 306
參考文獻(xiàn) 307
第10章 顆粒材料減振及緩沖性能的離散元分析 310
10.1 顆粒材料減振特性的試驗(yàn)測(cè)試及離散元模擬 310
10.1.1 顆粒阻尼器的試驗(yàn)研究 311
10.1.2 顆粒阻尼器的數(shù)值模擬 313
10.2 顆粒材料緩沖特性的離散元分析 316
10.2.1 顆粒緩沖特性的試驗(yàn)研究 316
10.2.2 顆粒緩沖特性的數(shù)值模擬 319
10.3 著陸器緩沖過程的離散元分析 325
10.3.1 著陸緩沖系統(tǒng)及月壤的離散元模型 327
10.3.2 著陸過程的離散元分析和沖擊力特性 329
10.4 小結(jié) 334
參考文獻(xiàn) 334
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