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波浪作用下沙质海床流固耦合数值模拟及动力分析

苏莺  
【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—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—海床体系位移场、应力场以及海床弹塑性分析。


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