Nội dung được dịch bởi AI, chỉ mang tính chất tham khảo
Về việc cải tiến hiệu suất tính toán của phương pháp động lực học hạt mịn để mô phỏng sự thất bại uốn của băng
Tóm tắt
Phương pháp phần tử hữu hạn (FEM) đã được áp dụng rộng rãi để mô hình hóa sự thất bại của băng nhưng gặp phải vấn đề biến dạng lưới, đặc biệt là khi có sự tham gia của nứt hoặc phân mảnh. Phương pháp động lực học hạt mịn (SPH) có thể tránh được các vấn đề thuộc loại này và đã được áp dụng thành công để mô phỏng sự nứt của vật rắn. Tuy nhiên, chi phí tính toán liên quan gia tăng đáng kể đối với các mô phỏng SPH. Việc giảm thời gian tính toán mà không làm giảm đáng kể độ chính xác là điều rất quan trọng để SPH được coi là một công cụ số hiệu quả trong việc mô phỏng sự thất bại. Do đó, trọng tâm của bài viết này là điều tra khả năng của các phương pháp phân rã miền, tỷ lệ khối lượng, tỷ lệ thời gian và kỹ thuật SPH-FEM kết hợp để cải thiện yêu cầu tài nguyên tính toán. Độ chính xác, hiệu quả và giới hạn của từng phương pháp này đã được thảo luận và kết quả được so sánh với giải pháp phân tích và các thí nghiệm uốn dầm bốn điểm. Các kết quả thu được từ các so sánh cho thấy rằng phân rã miền, tỷ lệ khối lượng và tỷ lệ thời gian quy trình có thể được sử dụng một cách thích hợp cho các trường hợp tĩnh gần để giảm yêu cầu CPU miễn là năng lượng động được theo dõi liên tục để đảm bảo rằng hiệu ứng quán tính là không đáng kể. Hơn nữa, vì thời gian tính toán chủ yếu phụ thuộc vào số lượng hạt rời trong một mô phỏng, phương pháp SPH-FEM kết hợp được xác định là một lựa chọn khả thi để giảm thời gian mô phỏng và những kết quả từ các mô phỏng kết hợp như vậy dường như đồng ý tốt với dữ liệu thí nghiệm đã công bố. Nghiên cứu này cho thấy rằng các phương pháp được đề xuất không chỉ có khả năng mô phỏng các cơ chế thất bại được quan sát trong các cuộc điều tra thực nghiệm mà còn giảm yêu cầu tài nguyên tính toán liên quan đến các mô phỏng SPH thuần túy, mà không có sự giảm đáng kể trong độ chính xác và tính ổn định của số.
Từ khóa
Tài liệu tham khảo
Anghileri M, Castelletti L-M, Invernizzi F, Mascheroni M (2005) A survey of numerical models for hail impact analysis using explicit finite element codes. Int J Impact Eng 31:929–944
Attaway S, Heinstein M, Swegle J (1994) Coupling of smooth particle hydrodynamics with the finite element method. Nucl Eng Des 150:199–205
Barcarolo DA (2013) Improvement of the precision and the efficiency of the SPH method: theoretical and numerical study. Ecole Centrale de Nantes (ECN), Doctoral dissertation
Barreiro A, Crespo AJC, Dominguez JM, Garcia-Feal O, Zabala I, Gomez-Gesteira M (2016) Quasi-static mooring solver implemented in SPH. J Ocean Eng Mar Energy 2:381–396. https://doi.org/10.1007/s40722-016-0061-7
Carney KS, Benson DJ, DuBois P, Lee R (2006) A phenomenological high strain rate model with failure for ice. Int J Solids Struct 43:7820–7839
Chen H, Xu J, Wang CH (2013) U.S. Patent No. 8,374,833. Patent and Trademark Office, Washington, DC, U.S
Cleary PW, Das R (2008) The potential for SPH modelling of solid deformation and fracture. In: IUTAM symposium on theoretical, computational and modelling aspects of inelastic media. Springer,New York, pp 287–296
Colagrossi A, Landrini M (2003) Numerical simulation of interfacial flows by smoothed particle hydrodynamics. J Comput Phys 191:448–475. https://doi.org/10.1016/S0021-9991(03)00324-3
Das J (2017) Modeling and validation of simulation results of an ice beam in four-point bending using smoothed particle hydrodynamics. Int J Offshore Polar Eng 27:82–89
Das J, Polić D, Ehlers S, Amdahl J (2014) Numerical simulation of an ice beam in four-point bending using SPH. In: ASME 2014 33rd International conference on ocean, offshore and arctic engineering, American Society of Mechanical Engineers
Deb D, Pramanik R (2013) Failure process of brittle rock using smoothed particle hydrodynamics. J Eng Mech 139(11):1551–1565
Derradji-Aouat A (2003) Multi-surface failure criterion for saline ice in the brittle regime. Cold Reg Sci Technol 36:47–70
Enkvist E (1972) On the ice resistance encountered by ships operating in the continuous mode of icebreaking (No. 24)
Gingold RA, Monaghan JJ (1977) Smoothed particle hydrodynamics: theory and application to non-spherical stars. Mon Not R Astron Soc 181:375–389
Gürtner A (2009) Experimental and numerical investigations of ice-structure interaction. PhD thesis, Norwegian Uniersity of Science and Technology, Trondheim
Hallquist JO (2006) LS-DYNA theory manual. Livermore Software Technology Corporation, CA, USA
Ito R (2008) Computational efficiency improvements in cylindrical SPH analysis of hypervelocity impacts. Jpn Soc Aeronaut Space Sci 56:407–415
Johnson GR (1994) Linking of Lagrangian particle methods to standard finite element methods for high velocity impact computations. Nucl Eng Des 150:265–274
Kala J, Hušek M (2016) Improved element Erosion function for concrete-like materials with the SPH method shock and vibration 2016
Keegan MH, Nash D, Stack M (2013) Numerical modelling of hailstone impact on the leading edge of a wind turbine blade EWEA Annual Wind Energy Event 2013
Kim E (2014) Experimental and numerical studies related to the coupled behavior ofice mass and steel structures during accidental collisions. PhD thesis, Norwegian University of Science and Technology, Trondheim
Kim H, Kedward KT (2000) Modeling Hail ice impacts and predicting impact damage initiation in composite structures. AIAA J 38:1278–1288
Kim H, Welch DA, Kedward KT (2003) Experimental investigation of high velocity ice impacts on woven carbon/epoxy composite panels. Compos A Appl Sci Manuf 34:25–41
Kolari K, Kuutti J, Kurkela J (2009) Fe-simulation of continuous ice failure based on model update technique. In: Proceedings of the international conference on port and ocean engineering under arctic conditions, vol POAC09-104
Kujala P, Riska K, Varsta P, Koskivaara R, Nyman T (1990) Results from in situ four point bending tests with Baltic sea ice. In: Helsinki University of Technology/Laboratory of Naval Architecture and Marine Engineering, IAHR Ice Symposium
Lacome JL (2001) Smoothed particle hydrodynamics. Livermore Software Technology Corporation, Livermore, CA
Lapoujade V, Mouteliere C, Millecamps A (2014) Advanced MPP decomposition of a SPH Model 13th International LS-DYNA users conference
Libersky LD, Petschek AG, Carney TC, Hipp JR, Allahdadi FA (1993) High strain Lagrangian hydrodynamics: a three-dimensional SPH code for dynamic material response. J Comput Phys 109(1):67–75
Liu GR, Liu MB (2003) Smoothed particle hydrodynamics: a meshfree particle method. World Scientific, Singapore
Liu M, Liu G (2010) Smoothed particle hydrodynamics (SPH): an overview and recent developments. Arch Comput Methods Eng 17:25–76
Liu Z, Amdahl J, Løset S (2011) Plasticity based material modelling of ice and its application to ship-iceberg impacts. Cold Reg Sci Technol 65:326–334
Ma G, Wang X, Ren F (2011) Numerical simulation of compressive failure of heterogeneous rock-like materials using SPH method. Int J Rock Mech Min Sci 48:353–363
Maattanen M (1975) On the flexural strength of brackish water ice by in-situ tests. In: Proceedings of the POAC, pp 349–359
Monaghan JJ (2005) Smoothed particle hydrodynamics Reports on progress in physics 68:1703
Nishiura D, Furuichi M, Sakaguchi H (2015) Computational performance of a smoothed particle hydrodynamics simulation for shared-memory parallel computing. Comput Phys Commun 194:18–32
Olovsson L, Simonsson K (2006) Iterative solution technique in selective mass scaling. Commun Numer Methods Eng 22:77–82
Prior AM (1994) Applications of implicit and explicit finite element techniques to metal forming. J Mater Process Technol 45:649–656. https://doi.org/10.1016/0924-0136(94)90413-8
Renshaw CE, Schulson EM (2001) Universal behaviour in compressive failure of brittle materials. Nature 412:897–900
Soa T (2011) Numerical simulations of a sea ice beam in four-point pending. Master’s thesis, Aalto University, Espoo
Stansby PK, Ma Q (2016) Foreword to special issue on particle methods for flow modeling in ocean engineering. J Ocean Eng Mar Energy 2:249–250. https://doi.org/10.1007/s40722-016-0065-3
Swaddiwudhipong S, Islamb M, Liu Z (2010) High velocity penetration/perforation using coupled smooth particle hydrodynamics-finite element method. Int J Protect Struct 1:489–506
Swegle J, Hicks D, Attaway S (1995) Smoothed particle hydrodynamics stability analysis. J Comput Phys 116:123–134
Tang XW, Zhou YD, Liu YL (2013) Factors influencing quasistatic modeling of deformation and failure in rock-like solids by the smoothed particle hydrodynamics method. Math Probl Eng. https://doi.org/10.1155/2013/852875
Timco GW, O’Brien S (1994) Flexural strength equation for sea ice cold regions. Sci Technol 22:285–298. https://doi.org/10.1016/0165-232X(94)90006-X
Varsta P (1983) On the mechanics of ice load on ships in level ice in the Baltic Sea
Villumsen MF, Fauerholdt TG (2008) Simulation of metal cutting using smooth particle hydrodynamics. LS-DYNA Anwenderforum, C-III, P 17
Wang J, Derradji-Aouat A (2009) Implementation, verification and validation of the multi-surface failure envelope for ice in explicit FEA. In: Proceedings of the international conference on port and ocean engineering under arctic conditions, vol POAC09-112
Wei Z, Dalrymple RA (2016) Numerical study on mitigating tsunami force on bridges by an SPH model. J Ocean Eng Mar Energy 2:365–380. https://doi.org/10.1007/s40722-016-0054-6