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车轮-地面耦合动力学行为的CDEM-DEM分析

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光学精密工程 2023年第5期31卷 746-756页

作者：路扬冯春程鹏达张一鸣河北工业大学、土木与交通学院天津300401 中国科学院、力学研究所北京100190 中国科学院大学、工程科学学院北京100049

越野车辆在软土路面上行驶时,其车轮-地面相互作用的动态力学行为极其复杂,车轮的下陷程度和通行能力均为车辆地面力学研究的重点。为探究车轮在软土路面通行时的动力学性能,本文提出了一种连续-非连续单元法(Continu⁃ous-discontinuous... 详细信息

越野车辆在软土路面上行驶时,其车轮-地面相互作用的动态力学行为极其复杂,车轮的下陷程度和通行能力均为车辆地面力学研究的重点。为探究车轮在软土路面通行时的动力学性能,本文提出了一种连续-非连续单元法(Continu⁃ous-discontinuous Element Method,CDEM)与颗粒离散元法(Discrete Element Method,DEM)相结合的耦合计算方法。该方法中,车轮采用CDEM单元进行描述,软土路面采用DEM颗粒进行描述,CDEM单元与DEM颗粒之间采用罚弹簧进行耦合,通过在车轮上施加动态扭矩,实现了车轮在软土路面上摩擦、滚动及前行过程的精确模拟。借助CDEM与DEM的耦合,探讨了车轮花纹、路障对车辆行驶过程中动力学行为的影响规律。研究结果表明:花纹车轮及光面车轮均在软土路面留下清晰可见的车辙;花纹轮胎较光面轮胎表现出更强的通行能力;花纹车轮转动速度较小,但其车轮平动速度远高于光面车轮,花纹车轮平动与其线速度之比约为12.78%,而光面车轮比值仅为2.80%;车轮在软土路面行驶过程中,相同质量下的光面车轮下陷深度远高于花纹车轮;车辆在含路障路面通行时,地面起伏度与车辆行驶能耗之间密切相关,起伏度越大,所需能量越大。

关键词：车轮下陷软土路面 CDEM DEM 数值模拟

基于CDEM-MPM耦合的软地面车辆侵入规律研究

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光学精密工程 2023年第5期31卷 707-718页

作者：程鹏达冯春常宁东周俊朱心广中国科学院、力学研究所北京100190 中国科学院大学、工程科学学院北京100049

载荷装备通过软土地面会引起了软土地面的变形,车轮侵入软土的深度是软土地面装备通行性评估的重要参数。本文提出了连续-非连续单元法(Continuum-discontinuum Element Method,CDEM)与物质点法(Material Point Meth⁃od,MPM)耦合的数值... 详细信息

载荷装备通过软土地面会引起了软土地面的变形,车轮侵入软土的深度是软土地面装备通行性评估的重要参数。本文提出了连续-非连续单元法(Continuum-discontinuum Element Method,CDEM)与物质点法(Material Point Meth⁃od,MPM)耦合的数值计算方法,建立了车轮-软土地面耦合模型,模拟了车轮和软土地面相互作用过程,定量分析车轮载重、软土弹性模量、软土强度参数(黏聚力、摩擦角)与软土表面压应力、侵入深度等参数之间的关系,获得车轮侵入软土深度的变化规律。研究表明:软土侵入深度与车轮载重接近线性正相关,相对改变量约为179%;与弹性模量非线性负相关,相对改变量约为23%;与强度参数非线性负相关,相对改变量约为164%。当车轮载重一定时,非线性变化的车轮侵入深度对软土强度参数更敏感。建立强度参数(黏聚力、摩擦角)和侵入深度变化的三维关系,可为软土地面装备通行性评估中现场待测的关键参数提供理论依据。

关键词： CDEM-MPM 软土变形侵入深度软土强度通行性

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聚氨酯复合注浆材料浆液扩散特性及应用研究

铁道学报 2023年第7期45卷 1-9页

作者：陶伟明卢春房叶长文程鹏达西南交通大学土木工程学院四川成都610031 中铁二院工程集团有限责任公司四川成都610031 中国铁道学会北京100844 成都理工大学地质灾害防治与地质环境保护国家重点实验室四川成都610059 中国科学院力学研究所北京100190

山岭隧道所处地层大多节理裂隙发育,水系丰富,由此引发的突涌水灾害普遍具有突发性高、危害性大和破坏性强等特点,直接威胁隧道施工安全。基于化学改性和无机-高分子杂化技术,以聚氨酯材料与普通硅酸盐水泥为基础,结合复合功能助剂,制... 详细信息

山岭隧道所处地层大多节理裂隙发育,水系丰富,由此引发的突涌水灾害普遍具有突发性高、危害性大和破坏性强等特点,直接威胁隧道施工安全。基于化学改性和无机-高分子杂化技术,以聚氨酯材料与普通硅酸盐水泥为基础,结合复合功能助剂,制备得到聚氨酯复合注浆材料。通过对该复合注浆材料的SEM观测,分析浆材固结体的防渗性能。通过水槽注浆模拟试验,研究注浆材料的浆液扩散和抗冲刷特性。利用Galerkin有限元法建立连续模型方程,数值模拟浆液的流动过程,分析注浆过程中的流场特征。通过现场工程应用,验证该复合注浆材料对山岭隧道突涌水的注浆封堵效果。研究结果表明,有机/无机杂化的空间互穿网络凝胶结构,提高了结石体的力学性能和防渗性能。浆液在动水环境下的富水砂砾地层留存率高,扩散程度好,注浆封堵效果明显。数值模拟结果与现场试验基本相符,对复合注浆材料浆液流场特征进行分析,有助于实现地下突涌水注浆治理全过程的优化控制。山岭隧道突涌水的现场应用表明,使用复合注浆材料对富水地层注浆后无渗水现象,后期经过长时间观测,封堵效果和耐久性优异。

关键词：隧道工程富水地层抗冲刷性数值模拟扩散特性

一维轴对称杆件爆源模型及其在台阶爆破模拟中的应用

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爆炸与冲击 2022年第11期42卷 143-153页

作者：朱心广冯春王心泉程鹏达高圣元中国科学院力学研究所北京100190 中国科学院大学工程科学学院北京100049 煤炭科学研究总院北京100013

为了解决在实体炮孔建模时需要加密网格、计算量大等问题,提出了一种一维轴对称爆源模型:利用一维线状杆件表述炮孔及炸药,实体单元表述周围岩体,通过杆件节点与实体单元的拓扑关系,将杆件节点上的爆生气体压力施加至周围实体单元上,并... 详细信息

为了解决在实体炮孔建模时需要加密网格、计算量大等问题,提出了一种一维轴对称爆源模型:利用一维线状杆件表述炮孔及炸药,实体单元表述周围岩体,通过杆件节点与实体单元的拓扑关系,将杆件节点上的爆生气体压力施加至周围实体单元上,并根据实体单元的体应变计算出杆件节点处的横截面变化情况,从而实现模拟炸药与周围岩体的相互作用。通过与实体炮孔模型的数值对比分析,发现压力衰减指数为1.25时,一维轴对称爆源模型获得的径向质点峰值振动速度(peak particle velocity,PPV)衰减规律及振动速度时程曲线与实体炮孔模型基本一致,证明了该模型在模拟爆破问题中的精确性。针对混凝土块动态爆破破坏特性的研究,通过与文献对比分析,进一步验证了该模型的正确性。为验证该一维轴对称爆源模型在台阶爆破模拟中的应用,以鞍钢露天铁矿台阶爆破开采为研究对象,建立了5排50炮孔三维台阶爆破概化模型,模拟了爆区内露天边坡的损伤破坏状态。数值计算结果表明,爆区内拉伸破坏为主,并且除了离爆源较近的第一个测点外,其余测点处的振动速度峰值大小及其随距离的变化规律与现场实测数据基本一致,证明了所提爆源模型在三维台阶爆破远场模拟的可行性。

关键词：杆件爆源模型台阶爆破连续-非连续单元法振动速度峰值数值模拟

基于Bekker理论改进遗传算法的野外路径优化方法研究

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光学精密工程 2023年第5期31卷 767-775页

作者：常宁东冯春程鹏达朱心广李玉琼中国科学院、力学研究所北京100190 中国科学院大学、工程科学学院北京100049

随着装备智能化的发展,复杂野外环境下车辆的路径规划已成为关键技术之一,为军事力量发展、军事装备智能化提供重要保障。野外环境中有多种影响车辆行驶的因素,如障碍物、路面坑洼和泥泞等,传统城市道路的路径优化算法大多针对既有道路... 详细信息

随着装备智能化的发展,复杂野外环境下车辆的路径规划已成为关键技术之一,为军事力量发展、军事装备智能化提供重要保障。野外环境中有多种影响车辆行驶的因素,如障碍物、路面坑洼和泥泞等,传统城市道路的路径优化算法大多针对既有道路,难以满足在存在多种未知威胁的复杂野外环境下的路径优化要求。同时,目前路径优化算法对于野外复杂的土壤地质条件考虑较少,因此本文基于Bekker地面力学理论,结合改进的遗传算法,提出了一种考虑土壤对车辆行驶影响的改进遗传算法,该方法以路径行驶时间最短为优化目标,建立了适合野外环境的路径优化算法。含障碍物和含多种土壤的野外环境建模和路径优化结果表明:该优化算法建立了地面力学特性与车辆行驶的耦合作用,综合考虑了野外环境下的障碍物、土壤特征和车辆特性等因素,在复杂的野外环境下得到了车辆可以安全、高效和畅通通行的野外路径,为建立地形力学与路径优化算法的联系提供了参考。

关键词：野外环境路径优化 Bekker理论遗传算法

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装备野外通行路径优化算法研究进展

光学精密工程 2023年第5期31卷 776-792页

作者：常宁东程鹏达冯春王理想李玉琼中国科学院、力学研究所北京100190 中国科学院大学、工程科学学院北京100049

随着野外装备智能化的不断发展,野外环境下的装备路径优化成为近年来研究的重要领域之一,其在促进军事力量的发展和推动军事智能化的进程等方面起到重要作用。目前国内外对于既有道路下车辆优化方法的研究和总结较为成熟,但由于野外环... 详细信息

随着野外装备智能化的不断发展,野外环境下的装备路径优化成为近年来研究的重要领域之一,其在促进军事力量的发展和推动军事智能化的进程等方面起到重要作用。目前国内外对于既有道路下车辆优化方法的研究和总结较为成熟,但由于野外环境的复杂性和未知性,基于既有道路的优化算法无法在野外路径优化中直接应用。因此,本文基于国内外野外环境下的装备路径优化技术的研究现状,从环境建模和路径优化算法两个研究层面进行了归纳总结,并将野外路径优化算法分为单装备路径优化和多装备路径优化,阐述了各方法的适用范围与利弊,针对野外环境下的动力学问题,重点阐述了动力学约束下的装备路径优化算法,最后对未来野外路径优化算法的发展方向进行了展望。

关键词：野外环境智能化环境建模路径优化

陕西渭北地区不同时期控水对苹果产量、品质和水分利用效率的影响

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北方园艺 2022年第21期 38-43页

作者：赵爽马子清张雨田程鹏达李文强管清美西北农林科技大学园艺学院旱区作物逆境生物学国家重点实验室陕西杨凌712100

以渭北地区“烟富6号”/M26/八棱海棠为试材,采用4种不同控水方法,分别为CK(果实生长前期和中期均充分灌溉75%θf,θf为田间持水量)、W1(果实生长前期和中期均轻度亏缺灌溉50%θf)、W2(果实生长前期轻度亏缺灌溉50%θf和生长中期充分灌... 详细信息

以渭北地区“烟富6号”/M26/八棱海棠为试材,采用4种不同控水方法,分别为CK(果实生长前期和中期均充分灌溉75%θf,θf为田间持水量)、W1(果实生长前期和中期均轻度亏缺灌溉50%θf)、W2(果实生长前期轻度亏缺灌溉50%θf和生长中期充分灌溉75%θf)、W3(果实生长前期充分灌溉75%θf和生长中期轻度亏缺灌溉50%θf),研究了4种不同控水方法对苹果产量、品质和水分利用效率的影响,并探索了控水方式调控苹果水分高效利用效率的机制,以期为该区果农节水高效利用提供参考依据。结果表明:与CK相比,其它3种控水处理的苹果可溶性固形物、果面色度L^(*)和a^(*)、灌溉水利用效率均有所提升,而产量、耗水量、水分利用效率(WUE)明显降低。不同控水下的WUE总体趋势表现为CK>W2>W3>W1,而W2处理的灌溉水利用效率(IWUE)显著高于CK 22.2%。综合比较4种控水方法下的苹果果实品质、水分利用效率的综合满意度,W2处理综合满意度最高,排序从高到低依次为W2、CK、W3、W1。

关键词：控水苹果品质水分利用效率综合满意度

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泥沙污染物起动再悬浮释放机理

水科学进展 2013年第4期24卷 537-542页

作者：朱红伟蒋基安程鹏达王道增中交上海航道勘察设计研究院有限公司航道疏浚交通行业重点实验室上海200120 上海大学上海市应用数学和力学研究所上海200072

底泥再悬浮时,颗粒和孔隙水会交替影响底泥污染物的释放通量。通过循环水槽实验,分别以氯化钠和磷来代表典型的非吸附性污染物和吸附性污染物,研究了再悬浮颗粒和孔隙水释放污染物的不同特征。研究表明,再悬浮磷的释放对底面切应力的反... 详细信息

底泥再悬浮时,颗粒和孔隙水会交替影响底泥污染物的释放通量。通过循环水槽实验,分别以氯化钠和磷来代表典型的非吸附性污染物和吸附性污染物,研究了再悬浮颗粒和孔隙水释放污染物的不同特征。研究表明,再悬浮磷的释放对底面切应力的反应要比氯化钠迟缓,但前者释放通量要比后者大。恒定水流下底泥再悬浮污染物释放过程可以分为两个显著阶段:起动初期2 h内,颗粒和孔隙水共同作用,两者对上覆水体中水溶性污染物的贡献之比最高为3∶1,此时悬浮颗粒处于解吸污染物状态;2 h后,悬浮颗粒转为吸附污染物状态,释放通量时正时负。长期悬浮时泥沙颗粒始终为负释放状态,而孔隙水对总通量的贡献之比最高可达到60∶1。上覆水体中吸附性污染物液固相浓度比值先增大后减小,悬浮后期始终处于较低值。推导了底泥释放通量的理论公式,理论结果是线性缓慢增加的,而实验值的增加趋势是先快后慢。

关键词：底泥污染物再悬浮颗粒孔隙水释放通量液固浓度比

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垂荡双气室振荡水柱波能装置水动力特性研究

力学学报 2021年第9期53卷 2515-2527页

作者：郭权势邓争志王晓亮程鹏达中国电建集团中南勘测设计研究院有限公司长沙410014 浙江大学海洋学院浙江舟山316021 北京理工大学宇航学院北京100081 中国科学院力学研究所北京100190

振荡水柱(OWC)波能转换装置因其结构简单、便于安装维护等特点,被公认为最具应用前景的波能转换技术.本研究以垂荡式双气室OWC波能转换装置为研究对象,借助开源代码平台OpenFOAM及基于interFoam求解器开发的造/消波工具箱waves2Foam,采... 详细信息

振荡水柱(OWC)波能转换装置因其结构简单、便于安装维护等特点,被公认为最具应用前景的波能转换技术.本研究以垂荡式双气室OWC波能转换装置为研究对象,借助开源代码平台OpenFOAM及基于interFoam求解器开发的造/消波工具箱waves2Foam,采用流体体积法(VOF)捕捉自由面和六自由度(6DOF)动网格求解器模拟垂荡运动响应,数值研究在不同入射规则波作用下,前后气室相对宽度、弹簧弹性系数对装置捕能宽度比及水动力特性的影响规律.通过与已有的固定情况下的双气室OWC装置结果对比,并通过对比自由衰减运动响应验证动网格技术,揭示了本研究中数值模型的合理性和有效性.计算结果表明,较宽的后气室结构布置有利于双气室振荡水柱装置在垂荡状态下的波能提取;前后气室宽度比为1/2时,垂荡式双气室OWC装置在测试波频段具有最优的捕能宽度比;相较于固定状态,垂荡装置的后气室在中高波频段有着更高的捕能宽度比;装置前后气室内水柱与OWC装置垂荡运动间存在的相位差使得气室内水面相对振幅和相对压强在测试波频段存在多峰值现象,进一步发现弹装置通过垂向弹簧进行相位控制,可显著拓宽高效频谱带,实现较大的捕能宽度比.

关键词：波浪能振荡水柱水波动力学捕能宽度比动网格