泥石流冲击作用下框架结构的数值模拟研究

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我国西部地区泥石流活动频繁,对建筑物的破坏以及人们生活带来了极大地影响。有效模拟泥石流冲击作用下结构的响应,为研究建筑物抵抗泥石流冲击奠定了基础。本文通过利用耦合数值求解理论及有限元数值模拟软件对泥石流与结构作用进行了分析,共分五章,具体研究内容如下:(1)阐述了本文研究的目的和意义,以及现阶段国内外泥石流流固耦合的研究现状和研究成果,并介绍了流固耦合数值求解技术、数值模拟所面临问题及本文主要研究内容。(2)以粘性流体动力学为基础,并结合粘性泥石流的流变特性,建立了能客观描述粘性泥石流的一维、二维连续方程和动量守恒方程数学模型,同时给出了泥石流运动参数容重、流速及冲击力的确定方法。(3)介绍了泥石流与结构耦合过程在流体域、结构域、网格更新技术及耦合界面上数据传输四部分的主要求解方法。其中流体域的求解采用了CBS时间离散的算法,用四面体单元进行计算网格划分,将ALE描述下的粘性不可压缩流体控制方程写成有限元格式,并引入任意欧拉-拉格朗日动态网格技术;结构域给出了流固耦合作用下结构动力方程,利用直接积分法进行求解;网格的更新技术采用了虚拟弹性方法;界面数据的传输采用不匹配网格。(4)把泥石流整体冲击力简化为矩形荷载,石块的冲击力简化为三角形荷载,得到理想的时间与力的冲击关系曲线,通过四种工况施加于一个二层的框架结构。利用有限元软件模拟得到了柱底、柱顶及石块作用处位移、应力的变化,以及对周边柱子产生的影响。推导了结构的最大位移,并与模拟结果进行了比较。(5)用CAD软件建立了整个域的三维模型,通过导入Ansysworkbench进行耦合模拟。在CFX中对粘性泥石流流场进行了模拟,得到泥石流速度场及压力场的大小及分布。通过耦合界面荷载的传递,把泥石流域的压力场作为荷载作用于结构域上,最终得到结构的位移与应力。
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