土壤模型的案例
《土壤水分動態模擬模型及其應用》
《土壤水分動態模擬模型及其應用》
《土壤水分動態模擬模型及其應用_12243367.pdf
案例 | Adams-EDEM聯合仿真預測軟土上軍事車輛的機動性
輪式和履帶式車輛的多體動力學（MBD）模型已經得到驗證，并用于預測車輛在硬質路面上的各種工況性能。然而，在可變形的地形上進行車輛仿真時，目前的方法還無法完全表示車輛與軟土的動態相互作用。設計車輛時，工程師通常會利用其過去的物理測試經驗來預測車輛離開硬質路面后的性能。 只有當車輛做出來并測試之后，才能獲得有關車輛在軟土上的性能的實際數據。對于許多低比率或昂貴的車輛，樣機實際上也可能是最終產品，一旦進行越野測試，就需要對實際車輛進行重大修改。
準確地模擬地形力學是理解越野車輛機動特性的關鍵，并理解車輛和地形的變化將如何影響其動態性能。
離散元模型（DEM）將土壤表示為單個粒子，它與其它粒子之間以及所遇到的任何物理對象之間都具有完全的自由運動。DEM 是一種粒子尺度數值方法，用于對顆粒材料和許多地質材料（包括煤，礦石，土壤，巖石，骨料，顆粒，片劑和粉末）的散料行為進行建模。DEM Solutions 的 EDEM? 是目前該領域領先的解決方案之一。
DEM 允許顆粒分解或者與料床分離，并且可以很容易地表示不同大小和形狀的顆粒。可以將不同類型的顆粒混合在一起以獲得非均質的材料，或者根據需要分層。由于顆粒是三維動態作用的，因此，側向推土效應、車輪或履帶上的土壤堆積以及小丘的垂向表面特征可以很容易地用土壤模型來表示。另外，可以將顆粒壓實一次或多次，以提供各種土壤條件。
MBD 和 DEM 模型的集成
為了同時用單獨的 DEM 土壤模型求解現有的 MBD 車輛模型，需要進行聯合仿真，以允許每個求解器準確地計算車輛與土壤相互作用的動態特性（圖 1）。MBD / DEM 對象的力和位移必須通過連接和管理通訊的結構化接口在每個程序之間共享。
圖 1.
展開 基于ANSYS的復合海纜載流量CAE仿真
2.1.1復合海纜建模
復合海纜結構參數由施工方提供，具體結構如下：
為便于進行溫度場分析及節約計算時間，將模型幾何結構簡化為圓環結構。雖然導體為立體結構，但由于各截面幾何結構及材料屬性均勻，因此，采用復合海纜截面建立二維模型。
2.1.2埋設環境建模
本工程海纜部分埋設環境包括海床、潮間帶淤泥質灘涂、土壤直埋和電纜溝四種。其中，前三種需將埋設環境作為模型的一部分。
導體通電后熱輻射會對周圍環境溫度產生影響，目前通用的為上下左右各20米建立矩形土壤模型，這樣的邊界溫度基本不受導體生熱影響，但考慮到實際設備的測溫精度及計算時間，本工程土壤模型的矩形尺寸由不同的埋設深度決定。
2.2建模基本假設
在建模時需做一定假設：
（1）假設計算模型在高度和寬度范圍內土壤及環境溫度均勻；
（2）忽略各幾何結構相互之間的導熱熱阻；
（3）假設復合海纜材料均勻，土壤熱屬性均勻；
（4）導體電阻率不隨溫度變化。
2.3計算模型中邊界條件的確定
2.3.1參數確定
復合海纜各材料屬性及埋設環境土壤熱傳導系數都會對模型最終的溫度場分布產生重要影響。
其中，復合海纜自身材料屬性基本固定不變，可以在建模時直接進行設置；但是，土壤會隨著導體熱輻射而產生水分遷移現象，產生水分遷移后的土壤熱傳導系數是產生水分遷移前自然土壤的2到4倍，如果使用單一土壤模型，則計算結果會出現較大的偏差。工程實際中對于直埋和潮間帶淤泥質埋設一般采用回填0.2m厚沙土的方法，回填的厚沙土干燥情況下熱傳導系數基本穩定為0.5W/m2℃，因此，本工程參考這一做法，在復合海纜與埋設土壤之間建立回填厚沙土模型。
展開 巖土力學中的塑性流動仿真與分析
對此區域的分析有助于深入研究導致土壤更容易發生變形的情況。因此，這有助于我們得出避免坍塌所需的加固量和所需的隧道形狀。
隧道開挖后的塑性區域。
我們對四種不同情況下的隧道開挖進行了仿真，以比較上文所述的不同土壤模型，以及研究內聚力對土壤行為的影響。其結果以地表沉降作為標準。
接下來，我們用一個一維繪圖來展示以下結論：內聚力越低，變形越大。需要注意的是，Mohr-Coulomb 模型中的土壤比 Drucker-Prager 模型中的土壤更堅硬。帶有零膨脹角的非關聯準則防止了土壤在壓力下膨脹，因此地表沉降愈發嚴重。
不同塑性模型與材料性質下的地表沉降比較。
本文來自 ：COMSOL 博客
展開 
基于DEM-MBD耦合仿真的地面車輛力學解決方案
土壤的主要物理特性主要包括：土粒大小、顆粒級配、密度、含水量、孔隙率等；土壤的力學特性主要包含兩部分：抗剪強度和彈性變形。
EDEM軟件為用戶提供了專用的土壤模型案例包，該案例包中包含了8種適用于土壤仿真的力學模型，充分考慮了土壤的物理特性和力學特性，這包括3種同時考慮土壤彈塑性變形和含水量的不同參數的EEPA接觸、2種考慮塑性變形的Hysteristic Spring模型、2種考慮土壤粘性的JKR模型以及1中不考慮粘性和可壓縮性的Hertz Mindlin模型，用戶在使用時可按照引導選擇正確的力學模型。
圖3 考慮土壤粘性和可壓縮性的EEPA接觸模型仿真
2、多體動力學方法
虛擬樣機技術是當前設計制造領域的一門新技術，它利用軟件建立機械系統的三維實體模型和力學模型，在各種虛擬環境中真實地模擬系統的運動，分析和評估系統的性能。多體系統動力學是虛擬樣機技術的核心理論，包括多剛體系統動力學和多柔體系統動力學，是研究多體系統運動規律的學科。多體系統一般由若干個柔性和剛性物體相互連接所組成，其結構和連接方式多種多樣，因而動力學方程式一般都是高階非線性方程，特別是多柔體系統的動力學方程是強耦合、強非線性方程，只能通過計算機用數值方法進行求解。
車輛是一個復雜的多體系統，外界載荷的作用更加復雜多變，“人-車-路”三位一體的相互作用使車輛動力學模型的建立、分析、求解始終是一個難題。多體動力學的迅速發展為車輛動力學的研究提供了一個方便快捷的手段。由此，車輛動力學研究的力學模型逐漸由線性模型發展到非線性系統模型；模型的自由度由二自由度發展到數十個自由度，甚至到數百個上千個自由度。
展開 越野車在沙漠中行駛怎么仿真？看看這個神仿真方案
EDEM軟件為用戶提供了專用的土壤模型案例包，該案例包中包含了8種適用于土壤仿真的力學模型，充分考慮了土壤的物理特性和力學特性，這包括3種同時考慮土壤彈塑性變形和含水量的不同參數的EEPA接觸、2種考慮塑性變形的Hysteristic Spring模型、2種考慮土壤粘性的JKR模型以及1中不考慮粘性和可壓縮性的Hertz Mindlin模型，用戶在使用時可按照引導選擇正確的力學模型。
圖3 考慮土壤粘性和可壓縮性的EEPA接觸模型仿真
2、多體動力學方法
虛擬樣機技術是當前設計制造領域的一門新技術，它利用軟件建立機械系統的三維實體模型和力學模型，在各種虛擬環境中真實地模擬系統的運動，分析和評估系統的性能。
多體系統動力學是虛擬樣機技術的核心理論，包括多剛體系統動力學和多柔體系統動力學，是研究多體系統運動規律的學科。多體系統一般由若干個柔性和剛性物體相互連接所組成，其結構和連接方式多種多樣，因而動力學方程式一般都是高階非線性方程，特別是多柔體系統的動力學方程是強耦合、強非線性方程，只能通過計算機用數值方法進行求解。
車輛是一個復雜的多體系統，外界載荷的作用更加復雜多變，“人-車-路”三位一體的相互作用使車輛動力學模型的建立、分析、求解始終是一個難題。
多體動力學的迅速發展為車輛動力學的研究提供了一個方便快捷的手段。由此，車輛動力學研究的力學模型逐漸由線性模型發展到非線性系統模型；模型的自由度由二自由度發展到數十個自由度，甚至到數百個上千個自由度。模擬計算也由穩態響應特性的計算發展到瞬態響應特性和轉彎制動特性的計算。
目前多體動力學仿真已日漸成為國內外的各主要車輛和研究機構的通用方法和標準。目前在車輛領域廣泛應用的多體動力學仿真軟件有多種，包括MSC.ADAMS、Recurdyn、西門子公司的Virtual Lab Motion等。
展開 LS-DYNA土壤切削仿真
研究土壤切削一段時間了，做下個人小結：
1、常用的土壤模型MAT-5 MAT-16 MAT-147
2、常用的方法FEM ALE SPH
3、FEM法做起來難度最大，但個人認為效果和可靠性較高。值得注意的FEM法盡量不要去使用全積分單元，應盡可能采用單點積分和沙漏控制，MAT_147的作者和LSTC都不建議在大變形和剪切條件下使用全積分單元。
4、ALE方法可以很好的模擬軟土的變形，尤其是在模擬水下切削時優勢更明顯（空材料可以使用水來模擬），但對于硬質土ALE方法依舊表現出不合實際的流動性。如果希望得到切削時的破碎和裂紋效果ALE就顯得不合適了。另外，MAT_147似乎不適用于ALE方法（結果受網格敏感度參數的直接影響），可以考慮選用MAT5或MAT16或其他材料。
5、SPH方法最近用的人越來越多，應該是一個研究的方向，但我個人研究的比較少。
6、MAT-147是一個很好，但挺難掌握的材料本構，相比網上的論文，材料手冊是最好的資料，熟悉每一個參數的意義并結合試驗數據輸入是仿真的關鍵。
展開 【產品】智能管道設計運維一體化平臺 - AIPIPE 2022R2版本新功能詳解
通過設置土壤模型參數、埋地單元設置完成埋地建模。在分析中，自動對埋地管道進行加密，再將土壤約束轉換為力學彈性約束，提高模擬精度。
圖1 AIPIPE埋地管設置彈窗
圖2 AIPIPE埋地管
管道振動分析
新增了管道振動分析的動力學模塊，可以完成管道模態與諧波響應分析。諧波分析對于激勵位置的振動響應捕捉精準，與競品軟件、結構有限元軟件吻合良好。
圖3 AIPIPE動力分析彈窗
表1 AIPIPE模態分析精度
圖4 AIPIPE局部激勵響應云圖
管道流體分析
新增了管道流體分析模塊。該模塊可以將管道結構分析模型自動轉換為流體模型，實現管道、泵/風扇、閥的穩態流體分析。流體分析的結果，經過計算調度模塊可以傳遞給結構分析部分，實現流固耦合分析。另一個方面，該模塊集成了Pipenet數據接口，可以直接導入sdf格式文件進行流體分析。
圖5 AIPIPE流體模塊
圖6 AIPIPE流體分析
健康監測
新增了健康監測模塊。該模塊包括傳感器布置方案設計、數據采集、健康評估、數據庫管理等功能。針對在役管道定檢場景，基于結構疲勞理論，利用仿真和AI引擎實現傳感器自動布點設計和健康評估。每次定檢的結果將會自動存儲到數據中進行統一管理，并供AI算法調度使用。
圖7 AIPIPE健康監測模塊
數據庫、規范、接口功能升級
在數據庫方面，擴充了固體材料基礎數據庫，增加了流體材料庫和疲勞數據庫，共計千余種材料數據；在規范方面增加了ASME B31.3規范；在接口功能方面，增加了PDMS數據處理接口、恒力彈簧設計選型接口、單位制接口。
展開 2024年RecurDyn優秀案例競賽作品分享：基于DEM-MBD耦合的花生播種單體工作過程仿真與試驗研究
摘要：本研究設計一臺雙鎮壓輥結構花生播種單體，并采用基于DEM-MBD耦合的方法建立了幾組作業過程的仿真動力學模型。通過參數化方法選用合理的力學模型。獲取仿真所需參數和設置仿真參數等一系列操作完成了耦合模型的建立。研究表明，基于DEM-MBD耦合的方法為花生播種單體作業性能評價和機具設計提供了一種新研究方法。
關鍵詞：花生播種，離散元，多體動力學，耦合仿真
一、研究背景及目的
花生，原名落花生，是我國產量豐富、食用廣泛的一種堅果，也是世界上最主要的經濟作物與油料作物之一。我國的花生種植面積非常廣泛，由圖1可以看出全國各地基本均有種植地區。但由于近年來氣候變化等自然和人為原因導致花生產量銳減。因此，我們在人為原因造成的花生減產方面進行控制。如圖2所示為2023年某教授團隊研究了一款2BMF-48花生覆膜播種機，這是國內目前較為先進的花生播種機。該款花生播種機適用于有覆膜要求的花生播種方法，能一次性完成花生的播種及覆膜過程。但是，目前花生播種單體起壟質量大多都是能夠滿足現在生產要求，但是效果不理想。為了研究提高花生播種單體起壟質量，本研究采用DEM-MBD耦合的方法設計花生播種單體，并對其進行驗證，確保其準確性。
二、建模過程
本研究設計的機具主要由施肥開溝器、圓盤回填器、起壟鏟、牽引裝置、肥箱、變速箱、種箱、排種器、傳動裝置、主機架、及鎮壓裝置等組成，如圖3所示。
接觸的土壤部分選用Hertz-JKR模型，土壤顆粒模型分為1球、3球、3球，如圖4所示。土槽模型的長寬高分別為4000mm、1200mm、300mm，如圖5所示。
展開 案例58-吸力樁分析
內部和外部土壤模型使用SOLID186二次實體單元。
通過CONTA174/TARGE170接觸對，在外部土壤和吸力樁裙部之間以及內部土壤和吸力樁樁裙部之間定義了非線性摩擦接觸區域。
吸力樁裙板的恒定殼厚定義為ts=20 mm，吸力樁頂部的有效殼厚為tT=180mm。
材料屬性
土壤材料采用具有弱膨脹效應的理想塑性Mohr-Coulomb材料進行建模：
使用彈塑性雙線性運動硬化模型對結構鋼材料進行建模。
分析流程
吸力樁分析包括三個順序分析：
第一部分：標稱幾何非線性靜態分析
進行了具有標稱幾何結構的非線性靜態分析。該分析說明了特定的載荷歷史，以獲得適用于后續屈曲分析的荷載和應力狀態。
邊界條件
土壤和吸力樁裙部的底部節點在垂直方向上固定。
垂直方向上的位移限制在地下模型的所有四邊。
水平方向的位移限制在吸力樁的頂部外圈上。
加載
加載分四步進行：
載荷步1：土壤重力加速度+初始應力狀態
通過向土壤施加g=9.81m/s2的重力加速度，產生初始原位土壓力。
原位應力狀態計算導致不期望的垂直變形。為了緩解這個問題，施加了初始應力狀態，從而使重力載荷步的初始狀態幾乎無變形。
通常，土壤處于已固結狀態。因此，靜止荷載引起的初始位移是不自然的，應盡量減少。垂直應力狀態SZ根據土壤深度線性變化。Sz通過土壤密度ρ、重力加速度g和每個單元的垂直高度h確定：
側向土壓力系數定義為水平應力分量與垂直應力分量之比。對于彈性載荷條件下水平保持的非超固結土，該系數通過泊松比確定。
水平應力分量由以下公式確定：
已知應力狀態作為初始狀態（INISTATE）應用。
展開 LS DYNA PML完美匹配層單元的簡單應用
結構與土壤之間的這種相互作用需要精確建模，以設計抗震結構，正確評估現有結構的抗震安全性。這種土壤結構相互作用的工程分析存在若干難點：（一） 對相關地震斷層和地質特征的了解有限：（二） 現有分析軟件中缺乏準確的地震輸入方法：（三） 無法有效地模擬無限大的土壤域。LS-DYNA現在有一種新的土壤結構相互作用分析方法，它高效、合理地應用地震力，并以較低的計算成本準確模型無邊界域。LS DYNA將地震力納入土壤結構模型，只使用土壤結構界面的自由場地面運動, 無邊界域是采用完美匹配層模擬，可以有效的吸收邊界上的反射波。
案例說明
如上圖所示，模型分為三個部分，柱體，土體和包裹土體的PML土體，材料參數如下：
PML單元材料為*MAT_PML_ELASTIC，彈性模量和密度均和土體保持一致，除了材料采用230號材料外，PML土體的單元算法要選擇2號算法，如下圖所示。
土體和柱體之間采用*INTERFACE_SSI關鍵字定義接觸，該關鍵字在地震結構分析中非常常用，具體的用法也可以參考LS DYNA的關鍵字手冊，這里不再贅述。
采用*DEFINE_CURVE的定義地震荷載，地震荷載的施加采用*LOAD_SEISMIC_POINT施加在土體和柱體的接觸面上。
計算結果
展開 
LS-DYNA SPH-FEM彈體侵徹土壤 ￥251
<p>基于LS-DYNA軟件，采用SPH-FEM耦合算法構建剛體彈體侵徹土壤數值模型，其中土壤采用SPH粒子建模，彈體采用FEM網格建模。本模型難點如下：</p><p>（1）固結接觸應力波傳遞連續性問題</p><p>（2）彈體與SPH土壤接觸穿透問題，</p><p>（3）MAT_SOIL_AND_FOAM（005）本構模型參數含義</p><p><br></p><p>結果展示</p><p><br></p><p><br></p><p><br></p><figure style="text-align: center;" class="ql-align-center">
<figure class="figure-image" contenteditable="false" data-img="https://img.jishulink.com/202604/attachment/36e2d930a2bf448997a3c933ffeb0383.png" style="display: inline-block;">
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展開 在 Qgis 中開發高分辨率 Rusle 模型 ￥9
實踐
第 34 講：下載 Google 地球專業版軟件
第 35 講 P 因子表
第 36 講：使用 Google 地球專業版繪制地圖并發現保護實踐方法
第 37 講：使用 10 米創建坡度（以 % 為單位）
第 38 講：使用柵格計算器對坡度進行重分類
第 39 講 P 的柵格化向量
第 40 講 將練習柵格與農田-非農田柵格相結合
第 41 講 最終 P 因子圖
第 8 部分：K（土壤可腐蝕性）。實踐
第 42 講 下載 FAO 土壤數據
第 43 講 在 Excel 中計算優勢土壤的 K 因子
第 44 講 矢量到柵格 K 因子
第 45 講：ESDAC 的全球土壤可侵蝕性圖
第 9 部分：QGIS 中的 RUSLE 模型最終地圖
第 46 講 4 個 RUSLE 地圖（模型）
第 47 講 在 QGIS 中校正極值和使用百分位數工具
第 48 講 QGIS 中的結果地圖演示
第 10 部分：其他
第四十九講 模型精度及如何提高
環境科學家，生態學家，農學家，土壤科學家，GIS 學生，遙感學生，農民，保護科學家，土地利用規劃師，林業
截圖
展開 MIKE11的一些功能
包括用于連續降雨徑流模擬，單一暴雨事件無河流流量記錄的地區，月度土壤濕度計算模型，英國CEH Wallington開發的洪水估算手冊等。
（3）SO結構物操作模塊：根據用戶定義的操作規則來模擬水工結構物的運行，包括閘、堰、抽水泵、水庫等水工結構物。
（4）ST非粘性泥沙輸運模塊：對泥沙在水中的輸移現象進行模擬，研究河道沖淤狀況。
（5）AD對流擴散模塊：包括求解溶解物或懸浮物在水體中的對流擴散過程，能精確計算較大濃度梯度，模擬粘性泥沙的侵蝕和沉積。
（6）EcoLab水質模塊：用于河流、濕地、湖泊、水庫等的水質模擬，預報生態系統的響應、簡單到復雜的水質研究工作、水環境影響評價及水環境修復研究、水環境規劃和許可研究、水質預報。
（7）DB潰壩模塊 ：主要模擬河系中一處或多處潰壩。
MIKE11除上述基本模塊外，還有各種附件模塊如洪水預報（FF）模塊、GIS模塊等。
（8）MIKE BASIN流域水資源規劃和管理平臺：
MIKE BASIN是應用于流域或區域的水資源綜合規劃和管理工具。軟件基于GIS平臺，采用數學模型技術解決流域的地表水產匯計算，地下水資源的計算與評價，流 域水環境狀況分析等具體問題。模型包含進行水庫的優化調度（單庫、多庫聯調）和對水力資源進行模擬計算，對農業灌溉用水、城市工業、生活供水進行計劃調配 等功能模塊。該軟件可對未來流域復雜的水資源計算和多目標開發利用、水環境保護、制定工程規劃等專項研究提供有效工具。
展開 ABAQUS二次開發-UMAT入門
ABAQUS中UMAT使用背景
ABAQUS中雖然提供了很多的單元，很多的材料本構模型，但是有時候我們的分析的實際情況是比較復雜的，比如當我們要計算一種特定的橡膠材料的時候，已有的橡膠本構比如Mooney等都有著這樣、那樣的不足，很難滿足我們的要求。又比如我們要計算土壤應力的時候，土壤本身受壓不受拉，有著很強的非線性因素，這時候就需要我們建立足夠精確的土壤本構模型。如果你正在處理的問題，ABAQUS的常規本構不能滿足你的要求，那么UMAT將是你的首選。
(2)
UMAT參數說明
UMAT是一個較為復雜的程序，涉及到的參數較多，首先我們要明白UMAT完成了什么功能，簡單的說，就一句話，開發者需要定義材料積分點的Jacobian矩陣。由開發者完成應力-應變之間的關系曲線。下面我們對一些參數做一些介紹，其中kstep為分析步參數、kinc為增量步參數、time為主程序傳入進來的分析時間參數noel為單元編號、npt為單元積分點編號。stran為應變。dstran為應變增量。ddsdde為最關鍵Jacobian矩陣。
下面我們以最簡單的等溫線彈性本構為例與ABAQUS自帶的本構進行對比計算。我們要建立的模型如下圖所示：
在分析中我們要保證兩個本構的邊界條件一致、載荷一致、網格一致。我們所寫的本構這里給出主要內容,如下所示：
使用命令行模式提交計算，兩個本構計算結果對比如下所示：
由上兩圖可知，兩個本構計算的結果最大應力都為6.552Mpa。由此我們可知在ABAQUS中其自帶的等溫彈性本構一定也是如此。
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