發(fā)布時間：2020-08-08 22:01

【摘要】：波浪荷載對近岸及海上結(jié)構(gòu)物的穩(wěn)定性有著重大的影響,海床在循環(huán)波浪作用下會出現(xiàn)變形、軟化、液化等現(xiàn)象,喪失自身承載力導(dǎo)致危及其上部結(jié)構(gòu)物的安全。本文基于開源離散元法軟件Yade,通過耦合離散元方法(DEM)和孔隙尺度有限體積法(PFV)來建立DEM-PFV耦合模型,并改進(jìn)模型中的對波浪作用部分的模擬。通過在海床表面加載波壓數(shù)據(jù),模擬規(guī)則波作用和不規(guī)則波作用下的不同土體性質(zhì)海床的液化。本文的主要結(jié)論及成果如下:(1)基于開源離散元(DEM)軟件Yade,在固相部分采用離散元方法(DEM)和在液相采用孔隙尺度有限體積法(PFV)相耦合建立DEM-PFV模型,分析波浪作用下多孔介質(zhì)海床的動力響應(yīng)。(2)對建立的數(shù)值模型進(jìn)行驗證,通過與實驗解、解析解和數(shù)值解結(jié)果進(jìn)行對比驗證模型合理性。對模型中選取代表顆粒粒徑進(jìn)行敏感性分析,得知適當(dāng)增大顆粒粒徑(小于提取最小尺度的1/6),不僅不影響模擬結(jié)果,而且可以減小算例中的顆粒數(shù),進(jìn)而有效地提高計算效率。(3)分析了規(guī)則波作用下,考慮海床土體的孔隙率和彈性模量兩個變量對海床孔隙水壓力變化和液化情況的影響,并且分析海床土體性質(zhì)的動態(tài)變化,如孔隙率、顆粒總動能等。結(jié)果顯示:在砂質(zhì)海床中,通過減小孔隙率和增強(qiáng)彈性模量會降低海床孔隙率變化和顆粒運動,能夠有效地增強(qiáng)海床土體在規(guī)則波作用下的抗液化能力;而且觀察到海床在波浪作用下發(fā)生密實過程和液化現(xiàn)象。(4)分析了不規(guī)則波作用下,不同孔隙率和不同彈性模量海床土體的孔隙水壓力變化和液化情況以及海床土體性質(zhì)的動態(tài)變化。與規(guī)則波作用下結(jié)論一致,通過減小孔隙率和增加彈性模量能有效地增強(qiáng)砂質(zhì)海床的抗液化能力。和規(guī)則波相比,不規(guī)則波由于有波壓特大值的出現(xiàn),對海床土體的穩(wěn)定性影響更大。
【學(xué)位授予單位】：天津大學(xué)
【學(xué)位級別】：碩士
【學(xué)位授予年份】：2018
【分類號】：P75
【圖文】：

球形顆粒的重要的優(yōu)點來源于相對簡單的幾何形式，當(dāng)兩個顆粒的中心距離小于它們的半徑時視為顆粒間在相互作用。圖2-1 顆粒間作用力計算流程2.1.2 接觸模型離散單元法描述碰撞的過程就是接觸的產(chǎn)生和發(fā)生作用的過程，描述兩個顆粒之間相互作用力的接觸模型是 DEM 模型的關(guān)鍵。除了球形顆粒，經(jīng)典的 DEM模型還包括外壁，起到壓實和限制的目的，壁面允許將速度邊界條件應(yīng)用于顆粒，球形顆粒和壁面之間通過接觸處產(chǎn)生的力彼此相互作用。每個球體滿足運動方程，但是外壁運動方程不滿足運動方程，作用在外壁上的力量不影響其運動，而且其運動由用戶指定并且保持恒定。此外，接觸力不能在兩個外壁之間形成，因此接

ib 和壁面 w 之間的相互作用。對于這兩種類型的相互作用力都源于某一點發(fā)生的接觸。為相互作用力定義了本地參考系（C, n, t）（見圖 2-2.c）。接觸點 C ix 在兩個實體的共同體積內(nèi)，并且表示所得到的相互作用力Fc的作用點。它位于一個接觸平面上，由一個單位法向量n定義，用于球體接觸，作為沿著球體中心之間的直線指向的法向量；而對于球壁接觸，作為沿球體中心和外壁之間最短距離的法向量。對于球體接觸，我們有：[ ] [ ][ ] [ ]{ }A BA B x xnx x(2.4)定義單位向量t：t n=0(2.5)然后將接觸力分解成沿著法向量方向的正向分量Fn和作用在接觸平面中的剪切分量Fs。顆粒之間距離最終定義為： n [ ] [ ] [ ] [ ]{ }A B A Bi iU x x R R(2.6)球壁之間相互作用的表達(dá)式展示在圖 2-2。

天津大學(xué)碩士學(xué)位論文12圖2-2 （續(xù)）接觸模型（a. 球與球 b. 球與壁面 c. 接觸力的分類）（引自文獻(xiàn)[66]）2.1.2.2 接觸剛度接觸本構(gòu)模型作為描述顆粒間相互作用的局部幾何的函數(shù)，用于計算式（2.1）中的接觸力和接觸力矩。所得到的接觸力的分量為顆粒間距的函數(shù)。在模擬過程中，這種距離可能會得到負(fù)數(shù)。雖然通常認(rèn)為這種負(fù)距離為顆粒發(fā)生重疊，但是根據(jù)“軟接觸”方法，這表示接觸區(qū)附近的固體材料的變形。根據(jù)式（2.6）定義應(yīng)變 δc：n nn00 0cU UU (2.7)在相互作用下存在摩擦?xí)r，接觸力也將具有切向分量，其在每個時間步長處作為切向相對位移增量 us的函數(shù)計算。采用正向剛度 kn和切向剛度 kt是定義接觸力最簡單且常見的方法（見圖 2-3）[49]。接觸力的正向分量Fn定義如下：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 是顆粒的彈性模量，R1和 R2是顆粒的半徑，a 是一個定義切向剛度與正向剛度之間的比例系數(shù)。在每個時間步長處計算切

【參考文獻(xiàn)】

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本文編號：2786170