三维离散元软件的加速可视化方法

针对自主研发软件AgriDEM(agricultural discrete element method)的可视化模块在仿真数据规模巨大时的显示卡顿问题, 提出一种软件加速可视化方法. 该方法从显示数据精简角度出发, 采用内部单元剔除算法, 模拟人眼视觉深度及物体遮挡的特征, 剔除内部不可见颗粒的数据, 从而减轻由庞大数据输入导致可视化流水线上的负荷, 解决了仿真数据可视化时的闪烁、 卡顿问题.     

节理裂隙岩体的离散元计算方法

岩体通常被弱面所切割、分离，岩体结构的稳定性与弱面性质密切相关，离散元方法是对岩体进行形变分析计算的方法之一。作者介绍了该方法的基本计算步骤并以预应力锚杆为例进行了应力、应变计算推导，为边坡加固、围岩支护提供了一种可靠的计算方法。     

离散元工程计算软件图形后处理方法

通过对各种云图生成方法进行分析和比较，提出了一种可以满足离散元法计算软件图形后处理系统要求的任意形状的彩色云图形成方法。该系统是用VC＋＋6．0实现的，除了能演示云图、等值线图外，还能演示单元的破坏空间位置的时间变化。该方法简单、实用、高效，也可以推广到其他工程计算软件图形后处理系统的制作中。     

可变形体离散元模型

为解决岩土工程中的大变形和不连续问题，根据变形体动力学和离散元法的基本原理，建立了适用于可变形体的单元模型．采用弹塑性边-边接触模型及动态松弛法，推导出相应的理论公式并编制了计算程序．通过选取适当的计算参数对典型算例进行分析计算；得到了静力平面问题的应力、位移分布及静态解的收敛过程；验证了计算程序和计算参数选取的正确性；证明了该方法用于岩土工程静力计算的可行性．     

基于离散元方法斜碰落石冲击力的研究

落石灾害往往给交通基础设施、过往车辆、行人等造成极大地威胁。落石冲击力是落石灾害防护结构设计的主要荷载,因此,对落石冲击力进行深入研究能为防护结构的设计提供理论参考。本文对比分析了PFC3D模型与现有落石冲击力公式计算结果差异,并采用离散元程序,对落石不同半径、不同角度地冲击作用进行了数值模拟。结果表明：PFC3D离散元程序能够用于落石冲击力的计算;在冲击能量相同的情况下,落石斜碰作用冲击力不及正碰作用,当冲击角度α>50°时,斜碰作用冲击力与正碰作用冲击力相差变小;并且落石冲击力切向分量随着角度先增加后减小,角度越缓,落石冲击力主要由切向力控制。当斜碰垂直分速度与正碰速度相同的情况下,斜碰冲击角度越缓,落石冲击力反而越大,切向力占比越大。本文的研究结果可为落石斜碰作用下防护结构的设计提供参考。     

采用离散元方法评价集料的骨架结构

为了从细观结构角度深入研究骨架型沥青混合料集料的受力特征,在离散元程序PFC3D内,采用多球相互重叠的方法描述粗集料颗粒的三维不规则形状,并建立了考虑级配特征的集料混合物生成方法.按照集料粒径由大到小的顺序,在PFC3D中对各档集料进行了虚拟的逐级填充,并定量分析了各粒径集料对逐级填充后混合物中集料间隙率、集料之间的接触点数量、接触力等参数的影响.结果表明:集料混合物中,较粗集料受到的接触力大于较细集料;在较粗集料的混合物中,加入大于2.36 mm的较细集料有助于增加集料混合物的接触点数量,降低较粗集料所承担的接触力;粒径4.75～9.50 mm集料对接触点数量的增加最为显著;4.75 mm是骨架型沥青混合料的关键粒径.     

基于图形学方法的离散元边界接触检测法

在采用离散元法分析机械部件的接触作用时,如何建立复杂结构和不同运动方式机械部件的离散元法分析模型,已成为离散元法工程应用需要解决的主要问题.提出了一种基于图元的二维边界离散元法仿真算法,该算法采用Bresenham方法设置边界图元信息以进行邻居搜索.实例验证证明了该算法的正确性和有效性,为实现由边界的CAD模型进行边界的离散元法仿真分析奠定了基础.     

离散元-无限元非线性耦合法

根据变形体动力学方程及模态分解原理,建立了可变形体离散元模型．依照离散元法原理,选用边一边接触模型,推导出相应的理论公式并实现在边界上与无限元的耦合．采用近场土体由离散元模拟,远场土体由无限元模拟,进行土-地下结构相互作用分析．由静力问题的收敛性,验证了计算程序和计算参数选取的正确性,给出了地下结构在地震波作用下的位移反应．     

基于离散元方法斜碰落石冲击力的数值研究

落石灾害往往给交通基础设施、过往车辆、行人等造成极大威胁。落石冲击力是落石灾害防护结构设计的主要荷载,因此,对落石冲击力进行深入研究能为防护结构的设计提供理论参考。对比分析了PFC3D模型与现有落石冲击力公式计算结果差异,并采用离散元程序,对落石不同半径、不同角度地冲击作用进行了数值模拟。结果表明:PFC3D离散元程序能够用于落石冲击力的计算;在冲击能量相同的情况下,落石斜碰作用冲击力不及正碰作用,当冲击角度α50°时,斜碰作用冲击力与正碰作用冲击力相差变小;并且落石冲击力切向分量随着角度先增加后减小,角度越缓,落石冲击力主要由切向力控制。当斜碰垂直分速度与正碰速度相同的情况下,斜碰冲击角度越缓,落石冲击力反而越大,切向力占比越大。研究结果可为落石斜碰作用下防护结构的设计提供参考。     

离散元与光滑颗粒流体力学耦合方法及应用

磨机尺度极大，采用常规物理相似模拟和物料平衡模型适用性的方法，无法对磨机出料端排矿的动态过程进行观测和开展定量化表征，本文通过耦合离散元方法和光滑粒子流体动力学方法实现基于动态自由面的固液两相流仿真，并应用于量化对比不同磨机衬板机械结构对其排矿效率的影响.通过开展流变仪试验及仿真，确定了反映选定矿浆的流变特性参数及对应数值模拟参数.选取直型及弧型出料端衬板设计，基于所开发的数值模拟进行磨机排矿量及矿浆提升器回流量的量化表征.数值模拟结果表明，弧型出料端衬板的排矿量提升了13.4%，且矿浆提升器回流量降低了93.3%，现场工业试验结果与数值结果误差较小，验证了所开发的数值模拟模型的准确性.     

颗粒阻尼线性离散元模型参数的选取方法

为了研究不同形式颗粒阻尼的减振特性及其在旋转条件下的阻尼效果,建立颗粒阻尼的线性离散元模型,提出了一种颗粒接触线性模型的参数选取方法。根据Hertz接触非线性模型,假设颗粒相对运动在达到屈服极限时,Hertz接触模型接触力所做的功和线性模型接触力所做的功相等,对颗粒接触的力和位移的关系进行了线性化处理;利用离散元法对重力场下不同材料的非阻塞性颗粒阻尼(NOPD)、柔性约束颗粒阻尼和旋转条件下的NOPD进行建模;根据颗粒材料的屈服强度、泊松比、弹性模量等物理属性确定了仿真计算的相关接触参数。与实验确定颗粒接触参数的方法相比,所提方法适用范围更广。数值计算结果与实验结果在趋势和数值上吻合得较好,为颗粒阻尼的进一步研究奠定了基础。     

基于离散元方法的预制裂纹扩展过程分析

对预制裂纹花岗岩试件进行了单轴压缩试验,得出了不同裂纹倾角下的岩石强度与弹性模量变化规律.建立了不同裂纹倾角下的岩石颗粒流计算模型,并根据室内试验结果标定了计算模型的细观参数.通过编制FISH语言提取了裂纹扩展过程中的裂纹信息,并进行了详细分析.研究结果表明:随着预制裂纹倾角的增大,裂纹起裂应力、起裂角不断增大,裂纹扩展由最初的翼型裂纹占主导向次生裂纹占主导转变;通过定义的裂纹聚集系数分析得出随着裂纹倾角的增大,裂纹聚集系数曲线由光滑变得曲折,裂纹扩展路径由集中向分散过渡.     

基于离散裂隙网络与离散元耦合方法的礼让隧道岩体力学参数确定

为了准确地确定礼让隧道节理岩体力学参数,采用3DEC程序中离散裂隙网络(discrete fracture network, DFN)技术,建立了能反映节理裂隙分布特征的离散裂隙网络模型。在此基础上,结合室内岩石、节理力学试验,运用等效岩体技术及3DEC程序,建立基于离散裂隙网络-离散元(discrete fracture network-discrete element method,DFN-DEM)耦合方法的等效岩体模型,并构建反映工程岩体节理分布特征的多尺度等效节理岩体计算模型;通过对多尺度等效节理岩体计算模型进行单轴压缩试验,获取岩体峰前及峰后的力学性质,分析节理岩体的尺寸效应、各向异性、表征单元体及等效岩体力学参数。结果表明:DFN-DEM耦合技术解决了非贯通节理的建模问题;随着等效岩体尺度增大,节理岩体峰值强度、弹性模量逐渐减小,各向异性特性逐渐减弱,且尺度达到5 m×5 m×10 m趋于稳定得到表征单元体;表征单元体尺度下等效岩体力学参数为弹性模量9 GPa、单轴抗压强度0.7 MPa、内摩擦角25°、黏聚力0.3 MPa、抗拉强度0.12 MPa,与Hoek-Brown强度准则所得力学参数对比,两者较为接近。该法为研究工程岩体的稳定性提供了数据基础。     

对称形式的十三参梯形板元的离散方法

基于对所构造单元应具有对称性的考虑,利用构造单元的双参数方法,在已构造的十二参梯形板元的基础上,对中心点函数值用单元顶点节点参数的离散,给出了进一步对称的更精细的方法。     

基于离散元方法的沥青混合料矢量场细观分析

为了从细观角度描述沥青混合料中集料和砂浆的矢量场随加载时间的变化,以简单性能试验(SPT)测定沥青混合料的动态模量和相位角,采用数字图像处理和Matlab提取沥青混合料截面图像的像素坐标,利用离散元方法重构沥青混合料数字试件,在验证数字试件合理性的基础上,通过追踪集料和砂浆的位移场和速度场,分析了不同加载时间集料和砂浆矢量场的差异。研究结果表明:沥青混合料动态模量的预测值与实测值仅相差4.76%,相位角的预测值与实测值的差异为8.57%;集料和砂浆的位移场方向主要沿竖向向下,由上至下位移减小,整体集料与典型集料、整体砂浆与典型砂浆的最大位移相差较小,最大差异分别为5.20%和2.45%,砂浆的位移稍大于集料;随着加载时间的增大,整体集料和砂浆、典型集料和砂浆的最大速度均逐渐增大,砂浆的速度基本大于集料。     

基于离散元的流固耦合方法在工程中的应用

该文简要介绍了基于离散元的流固耦合方法的基本原理,在工业生产、工程建设等中的应用,阐述了采用基于离散元的流固耦合方法进行数值模拟在处理实际问题时的可行性和优越性,最后对基于离散元法的流固耦合在工程中的更广泛应用做出了总结和展望。     

线性Sobolev方程的全离散间断有限体积元方法

笔者给出了线性Sobolev方程后退Euler全离散间断有限体积元格式，得到了该格式的最优L^2模和离散H^1模估计．     

对称形式的十三参梯形板元的离散方法

基于对所构造单元应具有对称性的考虑,利用构造单元的双参数方法,在已构造的十三参梯形板元的基础上,对中心点函数值用单元顶点节点参数的离散,给出了进一步对称的更精细的方法.     

掘进机截齿截割煤岩的离散元仿真方法

为了研究截齿截割煤岩的动态破坏过程,提出采用离散元法进行截齿截割煤岩的仿真分析.根据截割头结构建立了相应的离散元模型,采用二维圆盘颗粒建立了煤岩的离散元模型,通过接触和连接力学模型计算截割过程中的作用力.在此基础上,通过VC++6.0编写了离散元仿真计算程序,借助MFC建立友好的人机交互界面,实现了截齿截割煤岩工作过程的离散元仿真.通过对截割角为45°条件下的截齿截割煤岩进行仿真,结果初步证明了采用离散元法的可行性,为截齿截割过程分析和截齿的优化设计提供了一种新的研究手段.     

粘弹性方程的Crank-Nicolson格式全离散非协调元方法

讨论了粘弹性方程的质量集中非协调有限元Crank-Nicolson全离散逼近格式.不需要传统的Riesz投影算子,用一些新的技巧和单元的特殊性质得到了 L2模和能量模的最优误差估计.