Nội dung được dịch bởi AI, chỉ mang tính chất tham khảo
Mô phỏng tiếp xúc ma sát trong động lực học hạt mượt
Tóm tắt
Động lực học hạt mượt (SPH) là một công cụ mạnh mẽ cho việc tính toán biến dạng lớn trong dòng chảy của đất. Tuy nhiên, phương pháp để mô phỏng tiếp xúc ma sát trong khuôn khổ của SPH vẫn còn thiếu và cần được phát triển. Bài báo này trình bày một thuật toán để mô phỏng tiếp xúc ma sát giữa đất và cấu trúc cứng hoặc biến dạng trong khuôn khổ SPH. Trong thuật toán này, miền tính toán được chia thành nhiều miền con dựa theo các ranh giới tiếp xúc hiện có, và lực tiếp xúc được sử dụng như những cầu nối giữa các miền con để giải quyết bài toán. Trong quá trình rời rạc hóa SPH cho phương trình điều khiển của mỗi miền con, vấn đề nội tại về sự thiếu hụt biên của SPH được xử lý một cách hợp lý. Do đó, các hạt nằm ở ranh giới tiếp xúc có thể có gia tốc chính xác, điều này rất quan trọng cho việc phát hiện tiếp xúc. Tiếp theo, dựa trên giả định rằng hạt SPH của đất có thể xâm nhập nhẹ vào cấu trúc, các lực tiếp xúc theo chiều pháp tuyến và chiều tiếp tuyến của bề mặt tiếp xúc được tính toán bằng nguyên lý động lượng, và lực ma sát sẽ được điều chỉnh nếu có sự trượt xảy ra. So với các phương pháp trước đây, trong đó chỉ xem xét tiếp xúc giữa các hạt hoặc chỉ đơn giản là bỏ qua sự trượt ma sát, phương pháp được đề xuất trong nghiên cứu này hiệu quả và chính xác hơn, đồng thời phù hợp cho việc mô phỏng tương tác giữa các vật liệu mềm và cấu trúc cứng hoặc biến dạng, điều rất phổ biến trong kỹ thuật địa chất. Một số thử nghiệm số đã được thực hiện để xác minh độ chính xác và tính ổn định của thuật toán đề xuất, và kết quả đã được so sánh với các giải pháp phân tích hoặc kết quả FEM. Độ nhất quán đạt được từ những so sánh này cho thấy rằng thuật toán là mạnh mẽ và có thể nâng cao khả năng tính toán của SPH.
Từ khóa
#Động lực học hạt mượt #mô phỏng tiếp xúc ma sát #kỹ thuật địa chất #lực tiếp xúc #vật liệu mềmTài liệu tham khảo
Liu G R, Liu M B. Smoothed Particle Hydrodynamics: A Meshfree Particle Method. Singapore: World Scientific, 2004
Monaghan J J. Smoothed particle hydrodynamics and its diverse applications. Annu Rev Fluid Mech, 2012, 44: 323–46
Sakai M, Maeda K. Seepage failure analysis by smoothed particle hydrodynamics method with interactions among solid-liquid-gas phase (in Japanese). In: Proceedings of the 38th Japan National Conference on Geotechnical Engineering, Akita, 2003. 1203–1204
McDougall S, Hungr O. A model for the analysis of rapid landslide motion across three-dimensional terrain. Canadian Geotech J, 2004; 41: 1084–1097
Chang Y Z, Bao K, Zhu J, et al. A particle-based method for granular flow simulation. Sci China Info Sci, 2012, 55: 1062–1072
Bui H H, Fukagawa R, Sako K, et al. Lagrangian mesh-free particle method (SPH) for large deformation and post-failure of geomaterial using elastic-plastic soil constitutive model. Int J Numer Anal Met, 2008, 32:1537–1573
Huang Y, Hao L, Xie P, et al. Numerical simulation of large deformation of soil flow based on SPH method (in Chinese). Chinese J Geotech Engrg, 2009, 21: 1520–1524
Pastor M, Haddad B, Sorbino G, et al. A depth-integrated, coupled SPH model for flow-like landslides and related phenomena. Int J Numer Anal Met, 2009, 33: 143–172
Bui H H, Fukagawa R, Sako K, et al. Slope stability analysis and discontinuous slope failure simulation by elasto-plastic smoothed particle hydrodynamics (SPH). Geotechnique, 2011, 61: 565–574
Bui H H, Fukagawa R. An improved SPH method for saturated soils and its application to investigate the mechanisms of embankment failure: case of hydrostatic pore-water pressure. Int J Numer Anal Met, 2013, 37: 31–50
Gong K, Liu H, Wang B L. An Improved Boundary Treatment Approach for SPH Method (in Chinese). Chinese Quart Mech, 2008, 29: 507–514
Monaghan J J, Kajtar J B. SPH particle boundary forces for arbitrary boundaries. Comput Phys Commun, 2009, 180: 1811–1820
Liu M B, Shao J R, Chang J Z. On the treatment of solid boundary in smoothed particle hydrodynamics. Sci China Tech Sci, 2012, 55: 244–254
Campbell J, Vignjevic R, Libersky L. A contact algorithm for smoothed particle hydrodynamics. Comput Method Appl M, 2000, 184: 49–65
Kulasegaram S, Bonet J, Lewis R W, et al. A variational formulation based contact algorithm for rigid boundaries in two-dimensional SPH applications. Comput Mech, 2004, 33: 316–325
Seo S W, Min O. Axisymmetric SPH simulation of elasto-plastic contact in the low velocity impact. Compu Phys Commun, 2006, 175: 583–603
Feldman J, Bonet J. Dynamic refinement and boundary contact forces in SPH with applications in fluid flow problems. Int J Numer M, 2007, 72: 295–324
Antoci C, Gallati M, Sibilla S. Numerical simulation of fluid-structure interaction by SPH. Comput Struct, 2007, 85: 879–890
Wang J, Wang X J, Bian L. Linking of smoothed particle hydrodynamics method to standard finite element method and its application in impact dynamics (in Chinese). Explosion Shock Waves, 2007, 27: 522–528
Xiao Y H, Han X, Hu D A. Simulating fluid-structure interaction with FE-SPH method (in Chinese). Chinese J Appl Mech, 2011, 28: 13–18
Zhang Z C, Qiang H F, Gao W R. Application of SPH-FEM contact algorithm in impact dynamic simulation (in Chinese). Chinese J Solid Mech, 2011, 32: 319–324
Gutfraind R, Savage S B. Smoothed particle hydrodynamics for the simulation of broken-ice fields: Mohr-Coulomb-type rheology and frictional boundary conditions. J Compu Phys, 1997, 134: 203–215
Monaghan J J. Smoothed particle hydrodynamics. Rep Prog Phys, 2005, 68: 1703–1759
Randles P W, Libersky L D. Smoothed particle hydrodynamics: Some recent improvements and applications. Comput Method Appl M, 1996, 139: 375–408
Chen W F, Mizuno E. Nonlinear Analysis in Soil Mechanics: Theory and Implementation. Amsterdam: Elsevier, 1990
Gray J P, Monaghan J J. Swift RP. SPH elastic dynamics. Comput Method Appl M, 2001, 190: 6641–6662
Chen W F. Limit Analysis and Soil Plasticity. Amsterdam: Elsevier, 1975