波浪作用下沙质海床流固耦合数值模拟及动力分析

摘要

波浪作用下海床及海底地基的动力稳定性是近海和离岸工程建筑物设计和建造过程中必须考虑的重要问题之一。目前国内外的研究大多通过有限单元法对波浪作用下海床动力响应进行数值计算和分析，这种方法通常将单元矩阵合并为一个大的总刚度矩阵，而有限差分法则可以有效地在每一步重新生成有限差分方程，即用显式的时程方法求解代数方程。显式方法对于大变形、物理不稳定性等病态系统是最适用的。这样，在模拟大风浪作用下海床大位移、大应变，有限差分法更为有效。 本文基于有限差分法，着重讨论波浪作用下，砂质海床的流固耦合、动力响应及弹塑性分析，为海床基础稳定性问题提出了分析依据。 本论文采用快速拉格朗日分析方法。首先对计算方法进行验证：依照试验参数及尺寸建立防波堤与海床数值模型，对波浪与海床相互作用进行计算，得到粗质砂床中孔隙水压力的计算结果，再与物理试验采集的量测值相比较，得到线性规则波作用下孔隙水压力的计算值与实测值曲线拟合较好，说明所建立的数学模型是正确的、可行的。 考虑应力场和渗流场相互影响和作用，对砂质海床地基的稳定性进行三维流一固耦合数值模拟及动力学分析，计算采用三维弹塑性有限差分方法，选用Mohr—Coulomb屈服准则，渗流分析选用Darcy定律。动力分析选取三维的平面应变的全动力分析。采用完全非线性法，自动模拟阻尼和表观模量对应变水平的相关性。动力计算模拟在波浪循环荷载作用下，护岸一海床体系位移场、应力场以及海床弹塑性分析。

目录

文摘

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声明

第一章绪论

1.1研究背景

1.2国内外研究现状和进展

1.2.1波浪-固体-海床相互作用

1.2.2海床模型

1.3 FLAC3D快速拉格朗日差分分析

1.3.1 FLAC3D的简介

1.3.2 FLAC3D的优点

1.3.3应用范围

1.3.4五种计算模式

1.3.5 FLAC3D内嵌语言FISH

1.4本文主要工作

1.4.1论文主要内容

1.4.2理论意义

1.4.3实际应用价值

第二章基于有限差分法的控制方程

2.1基本理论

2.2三维快速拉格朗日分析的数学模型

2.2.1空间导数的有限差分近似

2.2.2节点运动方程

2.2.3增量形式的本构方程

2.2.4有限差分法的基本显式计算循环

2.3本构模型及控制方程

2.3.1弹性模型(Elastic Model)

2.3.2摩尔—库仑模型(Mohr Coulomb Model)

第三章沙质海床动力响应简化分析方法

3.1分析原理

3.2程序的实现

3.3计算程序的选择

3.3.1真实的时间

3.3.2大应变模式——agrangian网格

3.3.3时间步

3.3.4迭代过程

3.3.5动态多步

第四章流固耦合及动力分析数值模型

4.1数值计算的验证

4.1.1波浪与海床相互作用试验方案

4.1.2 FLAC3D验证模型的建立

4.1.3数值计算结果与模型实测结果的对比

4.2数值模型计算模式

4.2.1模型地质概况

4.2.2节点设置渗流分析

4.2.3几何模型的建立

4.3数值计算方案

4.3.1岩体物理力学参数

4.3.2初始应力场

4.3.3动力分析几何模型的建立

4.4数值模型的建立

4.4.1渗流分析中涉及到的属性和单位

4.4.2数值模型网格划分

第五章波浪作用下海床流固耦合及动力数值分析

5.1初始条件数值分析

5.1.1初始条件下不平衡力随时程变化规律

5.1.2初始条件下位移场分析

5.1.3初始条件下应力场分析

5.2流固耦合计算结果分析

5.2.1不平衡力随时程变化规律

5.2.2孔隙水压力分析

5.2.3跟踪点位移随时程变化规律

5.2.4应力场分析

5.3波浪循环荷载作用下海床动力分析结果

5.3.1波浪作用下海床位移场分析

5.3.2波浪作用下海床应力场分析

5.4波浪作用下沙质海床弹塑性分析

5.4.1沙质海床弹塑性分析模型

5.4.2超静孔压与残余孔压发展规律

5.4.3波浪作用引起的弹塑性应变

5.4.4波浪作用下海床弹塑性活动区发展规律

第六章总结与期望

6.1总结

6.2下一步工作的展望

参考文献

致谢

附录