砂土堆积试验的组合Clump颗粒离散元模拟

为研究颗粒形状对砂土力学性质的影响,以室内试验结果为基础,采用离散元软件PFC3D模拟了颗粒堆积试验。选取球形度为颗粒形状特征系数,生成一系列球形度为0.33~1.0的Clump颗粒,用PFC软件对颗粒之间分别赋予不同的摩擦系数共模拟了81种试样。通过将模拟结果与室内试验结果对比以验证采用球形度模拟砂土的可行性,探讨了颗粒球形度及摩擦系数对颗粒堆积体宏观响应和细观组构变化的影响。结果表明:组合Clump颗粒试样的最大孔隙比与最小孔隙比与室内实测结果基本一致,验证了该方法的可行性;试样的自然休止角及孔隙率均与颗粒摩擦系数存在正相关关系,平均接触数则随摩擦系数增大而减小;根据颗粒球形度统计结果在离散元中模拟砂土颗粒可直接采用实际颗粒的摩擦系数;该方法对传统散体颗粒的细观模拟研究方法进行了改进,能够弥补离散元中用圆球颗粒模拟不规则颗粒的不足。     

颗粒形状对钙质砂最终级配影响的试验研究

为探究颗粒形状对大剪切应变条件下钙质砂最终级配的影响,采用环剪仪和Morphologi G3对取自我国南海的钙质砂进行了一系列环剪试验和颗粒形状分析。试验结果表明:钙质砂在剪应力作用下发生颗粒破碎导致其级配变化,当环剪的剪应变达到50 000%时,钙质砂级配趋于稳定;级配稳定的钙质砂试样被替换成未发生过破碎的相同级配钙质砂试样后,由于替换前后颗粒的形状不同,导致试样在剪应力作用下继续发生颗粒破碎,试样重新稳定时颗粒级配分形维数相较于原稳定状态时的分形维数有一定程度的增加。     

细粒含量对中细砂剪切行为的影响

为研究细粒含量对中细砂剪切行为的影响,在标准中细砂中分别添加不同比例的细粒土,制成5种细粒含量不同的混合粒组试样并进行直剪试验,研究了不同细粒含量和法向应力对剪切行为的影响,并对微观颗粒运动进行了分析.结果 表明,不同细粒含量的试样较低法向应力下均出现一定的软化现象,而200 kPa法向应力下细粒含量0、10％和20％的试样则出现硬化现象;不同试样的峰值强度及其对应水平应变、同应变下剪切应力随着法向应力增加而增大;法向应力不超过100 kPa时试样摩擦因数随法向应力增大而减小,之后变化幅度不大,试样体积先出现剪缩后逐渐变化为剪胀,其变化幅度以100 kPa法向应力为阈值;试样抗剪强度随细粒含量的变化在不同法向应力下具有一定差异,但细粒含量5％和20％通常对应了强度变化曲线的极值点.可见不同细粒含量中细砂的剪切行为存在明显差异,研究结论为实际应用和相关研究提供了一定的理论参考.     

初始组构影响砂土直剪力学性状的数值模拟

文中基于PFC2D 非圆颗粒单元的二次开发,通过制备两种不同初始颗粒定向的数值试样,分别为水平定向(H试样)和竖直定向(V试样),研究了初始组构对砂土直剪力学性状的影响.数值试验过程在对比分析两种不同颗粒定向试样直剪宏观力学响应的同时,从颗粒尺度层面探讨了不同颗粒定向试样的初始组构特征,揭示了初始组构影响砂土直剪的细观力学机理.结果表明,颗粒竖直定向的试样其抗剪强度要高于水平定向试样,在细观机理上不同颗粒定向试样的初始平均接触数有关.     

直剪条件下单裂隙岩体力学行为数值模拟试验

为探究单裂隙岩体剪切过程中的力学行为,利用颗粒流程序研究裂隙倾角和法向应力对单裂隙岩体力学行为的影响,分别从岩体力学性能、破坏模式及细观力学特征3方面对非贯通单裂隙岩体试样直剪试验中的力学行为进行数值模拟。研究结果表明:(1)法向应力越大,剪应力峰值及对应剪切位移越大,裂隙倾角为60°时,剪切应力峰值最低,与完整试样相比,裂隙试样黏聚力下降最为明显;(2)剪应力曲线由低法向应力(小于5 MPa)时的"光滑"状转变为高法向应力(大于15MPa)时的"台阶"状,主要是高法向应力时岩体内微裂纹产生的速度快慢相间,致使裂纹扩展具有明显的阶段性;(3)法向应力越大,试样内微裂纹数目越多,剪切裂纹数目逐步增加,但仍以张性裂纹为主,大部分微裂纹在剪应力峰后段形成,单裂隙岩体的破坏主要是由张性裂纹汇聚贯通而形成的宏观拉破坏;(4)单裂隙岩体的剪切破坏是颗粒间最大接触力位置的转移与微裂纹交汇贯通的结果,"压致拉"作用力在剪切过程中作用明显。     

基于加州承载比试验的隧道弃渣颗粒接触力场形状影响因素分析

对级配碎石而言，不同的颗粒表面性质会影响颗粒接触力场形状、大小及梯度，进而改变试样所受约束力。分析CBR试验过程中试样侧板及底板的受力演变，探究试样颗粒细观参数对试样颗粒接触力场及试样约束力的影响。通过对比不同刚度比、摩擦系数与粘结强度（设定其比值为1下）对试样接触力场形状的影响，发现：以刚度比值6为界，随法向刚度的增大，颗粒接触力场长细比先增加后减小；随摩擦系数或粘结强度增大，接触力场长细比相应减小。考虑颗粒相对运动中粘结强度比中法向及切向参数作用不同，以粘结强度比4为界，随法向粘结强度增大，其接触力场长细比先增加后减小；随切向粘结强度增大，所得接触力场长细比变化趋势则为先减小后增加。可为研究隧道弃渣制成的级配碎石颗粒细观参数与其接触力场形状间关联性提供一定参考     

基于离散元法的长短轴之比对散粒材料抗剪强度影响分析

杆状颗粒由于其形状与砾石、药品和谷物等真实颗粒的形状接近而受到研究者们的关注,其形状特征常用长短轴之比进行表征.以往许多学者曾通过离散元法研究过在相同孔隙率下杆状颗粒长短轴之比对其抗剪强度的影响,但在相同相对密度下的研究并不多见.通过控制颗粒摩擦因数形成具有相同相对密度的试样,研究了0%、35%、65%及100%相对密度下颗粒的长短轴之比对试样抗剪强度的影响规律.另外,还进行了相同孔隙率下的试验以进行结果对比.研究结果表明,相同相对密度下,峰值状态和临界状态时试样剪应力随长短轴之比增大而增大,与相同孔隙率下的结果一致,但峰值剪应力增大幅值要比相同孔隙率下的小.另外,对不同长短轴之比下试样内摩擦角进行分析,发现临界状态时内摩擦角随长短轴之比增大而增大,而峰值状态时内摩擦角受长短轴之比的影响相对较小.最后从试样剪胀性方面进行了分析,阐述了以上现象发生的机理.     

颗粒形状对交通荷载条件下砂土力学性能的影响

交通荷载长期作用下,软土地基的稳定性会受到很大影响;作为持力层的砂土也会因此受到影响。利用空心扭剪仪模拟交通荷载条件下主应力轴旋转角变化对砂土强度的影响进行研究。为了研究砂土颗粒形状对主应力轴旋转角的响应,利用三种不同砂土颗粒(丰铺砂、玻璃微珠和Ottawa砂)在不同应力加载路径下砂土试样强度进行对比分析。研究结果表明,不同形状的砂土颗粒非共轴现象差异较大,试样的强度也出现不同;形状相同但粒径不同的玻璃微珠的应力应变曲线也存在差异。     

颗粒形状对交通荷载条件下砂土力学性能的影响分析

交通荷载长期作用下,软土地基的稳定性会受到很大影响;作为持力层的砂土也会因此受到影响。利用空心扭剪仪模拟交通荷载条件下主应力轴旋转角变化对砂土强度的影响进行研究。为了研究砂土颗粒形状对主应力轴旋转角的响应,利用三种不同砂土颗粒(丰铺砂、玻璃微珠和Ottawa砂)在不同应力加载路径下砂土试样强度进行对比分析。研究结果表明,不同形状的砂土颗粒非共轴现象差异较大,试样的强度也出现不同;形状相同但粒径不同的玻璃微珠的应力应变曲线也存在差异。     

颗粒物质与固体交界面静摩擦系数的测量与分析

颗粒物质与固体界面的摩擦力是当前颗粒物理研究中经常遇到的边界条件,但文献上对其取值有较大分歧。本文实验测量了颗粒物质与不同固体界面的最大静摩擦力,发现界面摩擦均满足达芬奇摩擦定律,且测得的静摩擦系数约在0.17～0.20之间。而材料手册中同样材料的固-固接触摩擦系数高达0.94,这表明一般不能直接用材料手册的摩擦系数值分析讨论与它有关的颗粒问题。     

颗粒形状对砂性土宏细观力学性质的影响

针对多数关于颗粒形状对砂性土宏细观力学性质的影响方面的研究中忽略的两个问题,天然砂性土中颗粒的随机不规则形状和对比试验中颗粒的体积不相等问题,基于已有的研究成果,对天然的硅质粗砂做了直剪试验,然后通过离散元程序PFC对其进行模拟,并设计了基于圆形颗粒的对比试验。试验结果表明,颗粒形状只有在较高的法向应力下才可以增加砂性土的剪切峰值强度,当法向应力较低时,不规则形状颗粒组成的砂性土的剪切峰值强度还不如圆形颗粒组成的砂性土,且当颗粒间的摩擦作用较弱时会有类似的现象,临界值强度并没有因颗粒形状的不规则而有明显差别。对此结果的细观机理也做了浅析,认为在较低法向应力时,圆形砂性土较大的剪胀角是其剪切峰值强度较大的主要原因。     

粗砂直剪试验与离散元细观机理分析

为了研究了粗砂的临界状态及临界状态下颗粒的运动规律,利用室内大型单剪试验设备以及颗粒流软件PFC2D,对粗砂进行了等体积条件下的单剪试验与数值模拟。室内试验结果表明,粗砂的临界状态摩擦角为36.4°~37.4°,在本次试验条件下,初始正应力、初始相对密实度对临界状态摩擦角基本无影响;数值模拟结果显示,发生较大速度、位移、旋转量的颗粒均位于剪切带范围内,剪切过程接近临界状态时,剪切带内的颗粒累计旋转量分布趋于稳定即在临界状态下,剪切带内颗粒的旋转量非常小;剪切带的宽度约为45倍的平均粒径。     

分散剂对基础油中纳米二硫化钼颗粒分散与润滑性能的影响研究

采用激光粒度分析仪和纳米摩擦试验机分别考察了6种分散剂对基础油中纳米二硫化钼(MoS_2)颗粒的分散稳定性和油品的减摩性能,并采用红外光谱(FTIR)分析了分散剂与MoS_2纳米颗粒的接枝作用机理.试验结果表明,氨丙基三甲氧基硅烷(ATS)和山梨醇油酸酯(SPAN 80)分散剂因含有极性较强的官能团,与MoS_2接枝后能够形成牢固的化学键,不仅表现出突出的分散稳定效果,而且能大幅降低纳米MoS_2基础油的摩擦系数,而其他4种分散剂中的官能团极性较弱,与MoS_2纳米颗粒的化学键合作用较弱,容易在摩擦外力作用下破坏,导致油品的摩擦系数增加.     

不同因素对机械弹性智能车轮加速度信号的影响

为了研究不同滚动工况对机械弹性智能车轮加速度信号的影响，采用有限元分析方法研究速度、附着系数、载荷对接触应力和加速度信号的影响以及车轮不同位置的加速度信号的差异性。结果表明：速度和地面附着系数对法向接触应力分布影响不大；路面附着系数增大导致摩擦应力分布的不均匀性增加，载荷增大导致接地区域接触应力最大值增大。车轮速度增大，加速度峰值幅值增大，加速度峰值时间间隔减小；载荷增大，加速度峰值时间间隔增大；纵向附着系数功率谱能对地面附着系数进行区分；輮轮中间加速度信号更适合用于侧偏特性研究，通过侧向加速度信号积分得到侧向位移，可用于侧偏角估算。     

考虑转动阻抗对砂力学特性影响的离散元分析

基于离散元法进行一系列砂真三轴剪切模拟试验,探讨了颗粒间转动阻抗对砂宏细观力学特性的影响。分析了不同抗转动系数下砂的力学特性,并从细观角度解释了转动阻抗的影响机制。结果表明:随着抗转动系数的增加,偏应力峰值及其对应的峰值内摩擦角相应增加,同时应变软化现象逐渐加剧。在细观层面,从有效配位数、概率密度、颗粒间法向接触力和各向异性的角度分析转动阻抗的影响机理。研究进一步发现,转动阻抗抑制了砂颗粒之间的相对转动,导致砂颗粒之间的平均配位数降低;砂颗粒间强接触力概率密度及接触力大小均随着抗转动系数的增大而增大;通过三维直方图直观定性分析由不同转动阻抗对法向接触力以及应力诱发各向异性的影响,同时结合第二不变量表征组构张量和法向接触力张量的各向异性,发现各向异性系数均随着抗转动系数的增大而增大。     

模拟不同形态土-岩界面的直剪试验

土-岩界面具有特殊的工程地质性质,为了研究土-岩界面的剪切特性,在实验室制备了若干不同形态接触面和不同材料性质的圆盘试样,开展室内直剪试验,并对剪切破坏面的颗粒分布和接触面剪切本构模型进行分析。研究表明:接触面的应力-应变曲线呈现出弹塑性变化特点,利用指数型接触面摩擦本构模型,可以较好地反映剪切过程中接触面的应力-应变关系;剪切面颗粒在剪切过程中发生了破碎和移动,颗粒破碎所需的力大于移动所需的力,宏观上表现为抗剪强度的差异,颗粒重新分布及接触面闭合共同作用导致试样的法向变形;低法向荷载下,接触面强度低于两侧材料强度,随着法向荷载增大,接触面强度逐渐增大,其残余强度值位于两侧材料强度之间。     

土石混合体原位试验的颗粒流数值模拟分析

基于颗粒流理论和PFC程序,解决了不规则碎石(clump)的生成、恒定法向荷载施加、剪切面的含石量等问题后,建立了土石混合体原位试验的颗粒流数值模型,对不同含石量、法向应力下土石混合体的直剪试验进行模拟,并与原位直剪试验的结果进行比较.结果表明：随着含石量增加,剪切应力及其峰值增大,剪切应力峰值对应的剪切位移减小;在低法向应力条件下,土石混合体表现为剪胀;在高法向应力下,土石混合体表现为先剪缩而后剪胀,并呈现出压剪破坏特征;剪切面附近分布的不规则碎石在剪切过程中出现挤压滑动与滚动,使得剪切破坏面出现凹凸,而且剪应力、法向位移、应变能随剪切位移增加而出现波动和平缓段;数值试验所得剪切应力峰值略高于其试验值,减小模型颗粒半径,可以有效降低计算的剪切应力峰值.     

粗砂与结构物接触面的剪切特性试验研究

利用同济大学研制的大型多功能界面剪切仪,对粗砂与结构物的剪切变形特性进行研究.采用在剪切盒内灌注彩色砂条的方法研究剪切带的空间分布特性.结果表明,彩色砂条的变形可以反映剪切带厚度和空间分布.剪切带厚度为6～11 mm,厚度随着法向应力的增加呈增加的趋势;剪切带厚度在空间上的分布呈现出不均匀性,在剪切方向(X轴方向)上呈现中间大两端小的趋势,在垂直剪切方向(Y轴方向)上离散性较小、分布近似均匀.剪切板凹槽的约束作用,使得凹槽内的砂土颗粒带动附近砂土颗粒运动,从而形成剪切带.土体的剪胀特性是由于剪切带内砂土的变形导致的,剪切初始时剪胀速率较快,达到抗剪强度后剪胀速率减慢.     

基于三维重构的原岩硬性结构面抗剪强度

节理面形貌特征是影响岩石节理面剪切破坏的重要因素。具有相同形貌特征的岩石节理面，沿不同剪切方向其力学行为存在差异性。结合三维激光扫描和3D打印技术，针对天然节理岩石的表面形貌进行逆向处理，将其制备为不同剪切方向的人工节理试样，并进行5种法向应力条件下的直剪试验。依据室内试验结果与理论分析，提出了定量计算节理面三维粗糙度与沿剪切方向接触面积有效系数值的方法，建立了不同剪切方向下含有三维形貌参数的抗剪强度模型。结果表明，影响剪胀角的因素与节理面的粗糙度系数和沿剪切方向接触面积有效系数值有关；沿不同的剪切方向会得到不同的剪胀角。基于剪切破坏的爬升和摩擦效应理论，并利用非线性拟合方法，得到峰值剪胀角的变化规律。最后，与已有的Barton抗剪强度公式进行对比分析，进而验证了该方法的合理性。     

曳引电梯磁流制动器的磁流变液摩擦学性能分析

由于磁流变液存在颗粒自磨损以及颗粒与磁流变制动器工作壁面的摩擦问题,会影响电梯磁流变制动器的制动效果,因此对磁流变液的摩擦学性能进行分析非常关键。通过以石墨、油脂作为添加剂,制备4种硅油基磁流变液。利用四球摩擦试验机模拟磁流变液在电梯传动装置中的运行工况,记录摩擦系数的变化,并用影像显微镜观察和测量磨斑大小。通过流变仪测量磁流变液在摩擦实验前后流变性能的变化,分析磁流变液在装置中的摩擦磨损对其性能的影响。结果表明：添加剂在一定程度上对磁流变液具有减摩作用,摩擦后的流变性能均有所增大;所配制的编号3磁流变液具有低零场黏度、高磁致剪切应力、较好的稳定性,是适用于曳引电梯磁流变制动器中的磁流变液。