基于物质点法的冰与结构物相互作用数值模拟

摘要

冰与结构物碰撞是一个复杂的过程，会受到冰和结构物性质的影响。针对现有研究方法的不足，本文尝试使用物质点法模拟冰与结构物作用，为数值模拟该问题提供新的研究思路。本文首先简要介绍了冰的物理、力学性质以及影响冰载荷大小的因素。其次，对物质点法的基本原理进行了描述。物质点法适用于处理历史相关性和大变形问题，在处理高速碰撞和滑坡等问题中显示出了优越性。在具体模拟之前，文中对模拟过程进行了一些假设。在本文的模拟中，冰在低应变速率下遵循粘弹塑性本构模型，在高应变速率下遵循弹脆性模型。 为了验证物质点法的有效性，文中首先将模拟结果与试验结果以及LS-DYNA的结果比较来进行初步检验。验证结果显示，物质点法相比于LS-DYNA能获得更接近试验结果的解。其次，针对影响冰载荷大小的因素，本文利用物质点法重点模拟了冰温、速度、结构物宽度和冰厚度对冰载荷大小的影响，并将模拟结果与一系列经验公式结果进行了比较。结果表明，物质点法模拟得到的冰载荷值介于经验公式计算结果构成的区间内，物质点法得到的结果与经验公式具有相似的趋势，模拟该问题是合理的。鉴于上述模拟没有考虑裂纹，物质点法在处理裂纹时存在困难以及传统方法计算裂纹问题时的低效率，而裂纹是影响冰载荷大小的重要因素，最后，本文提出了一种耦合的奇异光滑点插值-有限元法，并通过数值算例来验证耦合方法的有效性。结果显示该耦合法具有明显的优势，在较少的网格点时，已经能得到高精度的计算结果。 本文的工作说明了物质点法可以被用于冰载荷的模拟计算中，将物质点法与其他数值方法耦合，能使之处理更加复杂的冰工程问题，而这还有很多的工作可以做。

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