考虑颗粒级配效应的砂土剪切强度

为了研究颗粒级配对砂土剪切强度的影响,以室内直剪试验和二维离散元数值模拟为基本方法,研究了砂土颗粒级配和大小对其剪切强度的影响。通过制备15种不同级配的室内剪切试样和15种离散元数值剪切试样,在标定微观参数的基础上,同时进行了室内试验和离散元数值模拟,结果表明:曲率系数和不均匀系数对砂土剪切强度影响很明显。粒径d10、d30、d60对内摩擦角分别有着明显的影响作用,尤其是d10对其影响最为显著。数值试验结果表明,试样在剪切过程中颗粒级配对于孔隙率、配位数以及局部剪应力都有一定的影响作用,而细小颗粒所占的比例起着主导作用。     

垃圾焚烧炉渣的力学特性和破碎特性试验研究

在不同的最大竖向压力(100~3 200 k Pa)下,对上海某生活垃圾焚烧厂炉渣进行了室内压缩试验和直剪试验,并在试验前后对所有试样进行了颗粒筛分。结果表明:炉渣的压缩破碎变形属于不可逆变化,在初始孔隙比一定的条件下,试样的最终压缩量受初始颗粒级配和颗粒大小的共同影响。此外,当炉渣受到的最大竖向压力小于其屈服应力时,压缩后试样的级配曲线较初始级配曲线变化不大;当炉渣受到的最大竖向压力超过其屈服应力时,颗粒破碎明显加剧,压缩后试样的级配曲线受最大竖向压力的影响较大。最后,对直剪试验后炉渣的破碎进行了分析,表明当压力达到一定大小后,由剪切作用产生的颗粒破碎将不再增长。     

堆石体柱状试件成型过程的材料点法仿真

为探索散体工程材料的力学特性,采用数值仿真技术模拟了柱状堆石体试件的成型过程。采用了材料点法作为仿真计算模型。在仿真分析中,堆石体颗粒用随机生成方法构造,具有随机形状且符合级配要求,并用材料点离散描述。数值仿真与实验室中实际堆石体成型过程相同,颗粒分批在重力作用下落入成型桶中,在阻尼措施作用下能量耗散,形成具有一定密实度的试样。该模拟再现了试件成型过程中颗粒之间的相互作用,包括挤压、滑移、分离等现象。该方法可用于深入研究散体材料特性。     

粗粒土的级配方程及应用

采用二次函数建立了颗粒含量P与相对粒径x自然对数的非线性关系,提出了一种可以描述连续级配粗粒土的级配方程,验证了方程的适用性。将非连续级配粗粒土级配曲线离散为局部连续级配曲线,通过坐标变换,在连续级配方程基础上构建了非连续级配粗粒土的级配方程,采用数据论证了该方程的适用性,结果表明非连续级配方程可以很好地描述复杂形态的级配曲线。基于已有试验数据对连续与非连续级配方程进行了应用分析。结果表明,非连续级配方程计算Hardin相对破碎率与实测值更为吻合。本文研究成果将有助于理解粗粒土工程特性与级配的关系。     

颗粒级配对火山灰力学特性影响的试验研究

以吉林省靖宇县的黑色、红色两种火山灰为原材料,分别配制了5种不同级配的试样.通过土粒相对密度、矿物成分与颗粒形态、直接剪切和固结试验分析,得到该火山灰材料的土粒相对密度、化学成分、颗粒形态、剪切强度、压缩性等物理力学特性,并分析了5种级配的中值粒径d50和不均匀系数cu对火山灰剪切强度的影响.靖宇火山灰主要由泡沫状的火山玻璃组成,未经历过长期水力、风力的磨圆作用,颗粒棱角分明,其剪切特性与干沙土类似,内聚力很小,剪切强度受级配的影响较大.在配制的5种级配曲线的粒径范围,试样的内摩擦角随着中值粒径d50的增大而增大,不均匀系数cu对试样内摩擦角的影响较小.     

基于离散元的碎片尺寸随机的颗粒破碎模拟方法

依据天然堆石颗粒的破碎特性，构建了子颗粒粒径随机的碎片替换模式，即立方体替换模式.采用立方体替换模式可得到符合天然堆石颗粒破碎特性的子颗粒粒径分布.单轴压缩模拟试验表明，与子颗粒粒径固定的4球和18球替换模式相比，立方体替换模式能提高试样级配曲线的连续性，并改善中间粒径缺失的问题.对比不同子颗粒数量替换模式的模拟结果可知，立方体替换模式对应试样的接触数目和平均接触力分布符合替换模式子颗粒数量对分布的影响规律；剔除无接触和单接触颗粒后，3种替换模式的细观力学特性的变化规律一致，表明立方体替换模式可以用于模拟粗粒土的颗粒破碎.     

颗粒阻尼器减震控制的数值模拟

基于离散单元法,建立了颗粒阻尼器对多自由度结构进行减震控制的数值模拟方法,并介绍了系统参数的取值方法.该方法采用合理的计算时步和高效的接触检测算法,能较好地模拟颗粒间以及颗粒与容器壁之间的相互作用.开展了附加颗粒阻尼器的多层框架的振动台试验,通过试验结果与数值模拟结果的对比发现两者吻合良好,说明该数值方法可以较好地模拟颗粒阻尼器的减震控制效果.     

最大理论密度线邻近级配沥青混合料的VMA变化分析

为研究沥青混合料的级配曲线改变后矿料间隙率(VMA)的变化规律,以Superpave最大理论密度线级配为基准级配,在此基础上设计了三种级配曲线变化方式,并应用Hudson法分析了各变化级配矿料间隙率的变化规律.三种级配曲线变化形式分别为平行变化级配、绕起点旋转级配和绕最大理论密度线上4.75 mm粒径通过率点旋转级配.分析发现最大理论密度线级配曲线按不同方式改变后,其矿料间隙率的变化有不同的特点.     

沥青混合料单轴压缩试验的离散元仿真

沥青混合料是一种具有非连续性特征的道路材料,而当前的道路设计理论却将其处理成连续均质体系,这使得材料的细观力学性质得不到应有的考虑。为突破常规数值方法基于连续性的理想假设,进行了某级配的沥青混合料单轴压缩试验的离散元模拟,并将模拟试验与室内试验进行了比较。结果表明,离散单元数值方法能够通过改变计算模型中颗粒单元的性质给出与实际试验相符的本构行为。此外,还针对离散元仿真试件的细观力学特征对沥青混合料本构行为的影响进行了初步的参数研究,并揭示了一些规律,这对于离散元方法今后在道路材料和结构工程中的实际应用提供了有益的指导。     

土体颗粒破裂过程离散元模拟的新方法

土体颗粒的破碎对土体的宏观变形和强度性质有重要影响。数值模拟方法是研究土体颗粒破碎机理的重要手段。采用离散元数值软件PFC模拟土体颗粒的破碎。首先利用PFC内置Fish语言编写颗粒破坏准则,使得单个颗粒在满足破坏函数时破裂成为多个粒径更小的颗粒,从而实现PFC中颗粒的可破碎性,降低了传统方法"团聚颗粒"模拟颗粒破碎时建模和参数选取的复杂性。随后运用Fish编写的程序模拟土体在单轴压缩条件下颗粒破碎的过程;并对土体颗粒破碎特征进行分析。分析可知:颗粒破碎随着加载进行逐步从土体上部向下发展;土体中颗粒的破碎现象在空间上并不均匀发生,主要集中在试样的上部;加载过程中试样孔隙率的变化可以分为两个阶段,第一个阶段与颗粒的位置调整相关;而第二个阶段则与颗粒破碎相关,且第二阶段变化更为明显。颗粒破碎最终导致土体颗粒的粒径分布更为不均匀,最终形成级配较好的土体;但试样初始阶段的颗粒仍然为土体的主要成分。模拟结果与室内试验的部分成果比较,模拟结果与试验观察到的破裂现象基本一致,表明运用新方法模拟颗粒破碎过程合理、可行。     

一种离散单元法的弹性可变形颗粒模型

基于弹性变形的Hooke定律,提出了一种考虑颗粒变形以及不同材料特性的离散单元法(discrete element method,DEM)的多边形颗粒模型,根据该模型开发了相应的DEM程序。应用有限元方法和DEM模拟了弹性颗粒的碰撞过程。通过与有限元计算结果比较,证明在处理颗粒的接触问题时,该弹性可变形颗粒模型比传统刚性模型能够准确地反映颗粒介质的实际变形和接触力的变化,从而能够提高DEM分析的精度。     

基于DEM-CFD耦合方法的水合物与砂颗粒运动分析

采用离散元素法(discrete element method,DEM)和计算流体力学(computational fluid dynamics,CFD)的耦合方法,对海底水合物中砂颗粒和水合物颗粒运动进行了研究。利用球形颗粒沉降模拟实验验证了耦合方法的可行性,分别分析了单个砂颗粒和单个水合物颗粒运动过程中颗粒位置、速度、受力及角速度的变化规律。结果表明:砂颗粒向容器底部沉降,在到达底部时发生碰撞,同时颗粒发生旋转;水合物颗粒向上运动,颗粒没有发生旋转。最后对颗粒群进行了模拟仿真,结果表明,DEM-CFD耦合法能够模拟大量颗粒运动的复杂流动,并且能从微观尺度分析颗粒受力和运动情况,对水合物颗粒和砂颗粒运动的研究提供了一种可靠有效的方法。     

混凝土随机颗粒模型的网格自动剖分方法

基于计算几何学原理,用一容易被广大工程技术人员接受的方法,实现了对混凝土随机颗粒模型三角形有限元网格的自动剖分,这个网格可以被各种微值方法所采用,同时自动形成Ｖｏｒｏｎｏｉ图的方法,也可在工程中广泛利用。     

岩质颗粒破碎数值模拟研究进展

天然岩质颗粒材料在较大外力作用下,会发生颗粒破碎现象,从而影响到材料的强度、变形、渗透等性能,关系到工程的安全。限于试验条件、颗粒尺寸和形状等因素的制约,数值模拟成为研究颗粒破碎问题越来越重要的一种方法。通过回顾国内外的研究成果,总结了两类重要的数值模拟方法:连续介质力学数值模拟方法和离散元数值模拟方法。通过归纳每种数值模拟方法,重点分析了两种模拟颗粒破碎过程的离散元数值模拟方法:碎片替换模型和凝聚颗粒模型,通过整理两种模型的研究内容及特点,讨论了现有方法存在的优势及局限性,并提出了基于离散元方法研究颗粒破碎问题可能性方向。     

带有给定分布密度的三维相关随机表面模拟

为研究非高斯相关随机表面生成散斑场的特性,介绍了一种模拟具有给定分布密度的三维相关随机表面的方法.用高斯白噪声通过FIR指数滤波器模拟产生符合高斯分布的相关随机表面;并引入累积分布函数,将高斯随机表面转化为均匀分布的随机表面,在逆累积分布函数的作用下将均匀分布随机面转化为给定分布密度的相关随机表面,并对拟合度误差和相关长度误差做了简单估计.结果表明,所产生的相关随机表面能够很好的拟合规定的理论分布密度;当设定的相关长度较小时,模拟表面的实际相关长度能够较好的符合要求,但对于大的相关长度,要谨慎选择生成的相关随机表面.     

粒子系统支持下地形流模式表达研究

该文提出一种基于粒子系统的地形起伏动态可视化表达方法.首先利用D8算法并结合坡度等信息构建水流模型，基于DEM数据生成水流场数据；使用空间随机均匀和重要特征位置相结合的方法布设粒子，在粒子系统的支持下模拟高低起伏的地形水流场景，从而间接地实现DEM动态多尺度的可视化.以武汉市的DEM数据为例进行实验，结果表明该方法模拟得到的粒子流效果能真实反映其地形特征，该研究为DEM数据提供了新的表达方法.     

粗粒土大型静止侧压力系数测定试验的颗粒流模拟

静止侧压力系数K_0是粗粒土重要的力学参数。采用基于离散元理论的颗粒流数值分析和室内试验相结合的方法,建立了粗粒土大型静止侧压力系数试验的三维颗粒流模型,模拟结果与室内试验具有良好的一致性。在总结数值试验结果的基础上,分析了粗粒土的位移和力链的细观变化过程,并研究了不同竖向应力下细观参数与K_0的关系曲线,探讨孔隙率、颗粒摩擦因数、切向刚度、法向刚度等参数对粗粒土K_0的影响规律,并建立了细观参数和粗粒土K_0的函数关系。结果表明:相同竖向应力下试样K_0随着孔隙率的增大逐渐增大,但增大趋势趋于平缓;试样K_0与摩擦因数存在线性负相关关系;在相同竖向应力下,试样法向接触刚度越大或切向接触刚度的越大时,K_0越小。     

维度和压强对颗粒体系振动态密度的影响

本文基于离散元法(DEM),用PFC软件生成了压强分别为0.1 Pa、1 Pa、10 Pa、100 Pa、1000 Pa、10000 Pa的不同维度的无摩擦颗粒体系,基于Hessian矩阵的简正模式分析法,编写了计算不同维度和压强下颗粒体系态密度的程序,进一步分析了维度和压强对颗粒体系态密度的影响。发现一维颗粒体系的态密度不受压强影响。在低频下态密度几乎不随频率变化,在高频下态密度曲线随频率呈现振荡上升趋势。二维颗粒体系态密度曲线在某个特征频率之上出现一个平台,且该平台随着压强的增加而增加。低于某个特征频率下,三维颗粒态密度随频率呈幂率标度,随着压强增加曲线向高频移动。     

基于粒子群优化算法的模式分类规则获取

提出了基于粒子群优化的规则提取算法．该算法将规则编码为粒子,通过粒子群优化算法的速度-位移搜索模型以及粒子保存的记忆信息指导生成模式分类规则集．算法用于Iris数据集模式分类规则的提取．与其他规则提取方法比较,该算法在提高分类规则正确率的同时减少了计算费用．     

容积粒子滤波算法及其应用

针对使用现有粒子滤波算法对非线性/非高斯离散时间系统的状态估计精度较低的问题,提出了一种新的粒子滤波算法——容积粒子滤波(CPF)算法.新算法使用容积数值积分原则直接计算非线性随机函数的均值和方差,产生粒子滤波算法的建议性密度函数,获得所需要的带权粒子,进而通过计算粒子均值,获得系统状态的最小均方误差估计.CPF算法由于产生粒子时使用了最新的测量信息,因而提高了对系统状态后验概率的逼近程度.仿真实验结果表明,CPF算法的估计误差约是标准粒子滤波算法和扩展粒子滤波算法误差的1/5和1/3,是无味粒子滤波(UPF)算法的估计误差的1/2,且运行时间只有UPF算法的1/3.