岩土体颗粒破碎的离散元数值模拟技术综述

该文概述了岩土体颗粒破碎的理论研究价值及工程意义。结合颗粒破碎物理试验研究现状,综合阐述了目前数值模拟技术的优势和方法,并认为离散元方法的数值模拟可以更有效地对岩土体颗粒破碎进行研究。总结分析了在离散元方法中研究颗粒破碎的两种方法,黏结模型和颗粒破碎模型。     

地震滑坡运动过程的离散元模拟分析

地震滑坡灾害具有范围广、滑动速度快和突发性强等特点,往往造成重大的财产损失和人员伤亡。我国西南地区位于地震重灾区,地质灾害频发。文章以处于龙门山断裂带的某地震滑坡为例,利用PFC颗粒流程序模拟地震滑坡的运动过程,对滑坡体在滑动前后的位置和滑坡体的运动范围进行分析,得出滑坡体的岩性对滑坡的运动范围和运动方式影响很大,且滑坡体中的颗粒在滑动中是自由运动。     

煤矸石推剪试验的颗粒离散元细观模拟

以现场推剪试验为基础,基于二维颗粒离散元(two dimensional particle flow code,PFC^2D)建立煤矸石推剪试验模型.通过不同级配和孔隙率反映治理前后不同密实度的矸石散粒体,较好地模拟煤矸石现场推剪试验的推力-位移曲线;对比分析治理前后推剪模型推力-位移曲线的差异性,从细观力学角度验证推剪试验中矸石颗粒的运动规律.颗粒离散元模拟结果表明：治理前后推剪模型都存在接触力沿滑裂面传递的现象;由于碾压作用,治理后推剪模型的接触力呈倒月牙形分布;治理后煤矸石试样在推剪完成后,其颗粒接触力与水平方向的夹角比治理前更大,集中分布区域更狭窄.通过颗粒位移矢量图确定推剪试验的滑裂面,解决了煤矸石推剪试验中滑裂面难以确定的问题.     

落地式钢筒仓卸料的模型试验研究

进行了落地式钢筒仓模型的卸料试验,通过改变卸料口的直径和位置研究了8种不同卸料状况下仓壁应变随时间的变化情况.采用全站仪较精确地测定了钢筒仓模型的几何形状,确定了钢筒仓模型的初始缺陷,证明了初始缺陷对钢筒仓模型应变具有较大的影响.通过对各种卸料状况下仓壁应变随时间变化的比较分析表明,卸料口的大小以及卸料口的偏心位置对于不同位置处仓壁的应变具有不同的影响,在0.8倍筒仓直径至1.6倍筒仓直径的高度范围内仓壁应变随时间变化比较剧烈,在偏心卸料时靠近卸料口位置的仓壁应变变化比较剧烈,仓壁动态应变的最大变化量约为静态应变的3-4倍.试验研究表明在实际工程中应充分考虑偏心卸料对仓壁受力性能带来的巨大影响.     

筒仓侧压力的颗粒流数值模拟

本文采用基于离散单元法的颗粒流程序建立了一种筒仓缩尺模型,首先对筒仓缩尺模型进行了静态侧压力的数值模拟,并把模拟结果与原型筒仓的Janssen计算值进行了比较;接着在静态侧压力符合的基础上,对该模型筒仓进行了卸料过程的模拟,并得出筒仓卸料时的动态侧压力值的变化情况和最大动态侧压力值及超压来数的大小.     

不同裂隙张开度下岩石材料破坏的颗粒离散元模拟

岩体结构对岩体工程灾害具有一定的控制作用,为了研究硬性结构面在岩体破坏中所起的作用,从裂隙张开度对岩石破坏过程和破坏模式的影响出发,建立不同裂隙倾角下不同张开度的颗粒离散元数值模型,进行单轴压缩数值试验,结果表明：岩样的主要破坏模式既与裂隙的张开度有关,又受裂隙倾角影响;裂隙张开度较小岩样,通过裂纹迅速发展,在峰值强度时就趋于贯通;而裂隙张开度较大岩样,引起最终破坏的裂隙尖端张拉裂纹在峰值强度后才出现;且存在极限相对裂隙张开度,对岩样的受力破坏起裂隙干扰作用.     

基于EDEM的粮食立筒仓卸料动态侧压力研究

立筒仓卸料过程中,贮料流态不断变化,仓壁压力随之表现出不同变化规律。为研究卸料过程中贮料在粮食立筒仓中的流动状态和速度分布、贮料对仓壁产生的动态侧压力以及相应超压系数,采用离散元仿真软件EDEM对粮食立筒仓卸料过程进行模拟,分别选定两种不同卸料速度工况,并结合试验结果对比分析动态侧压力。结果表明：通过直接观察和整体流量指数分析筒仓内贮料流动状态,贮料流态与其所处的筒仓位置有关,发展进程为整体流动—管状流动—漏斗型流动;EDEM仿真模拟与试验结果的静态侧压力值接近、动态侧压力分布规律一致,且超压系数误差在合理范围内;卸料整体过程中,流速快工况的超压系数均大于流速慢工况;筒仓仓壁下部1/3hn范围内的动态侧压力突增最为明显,贮料内部不断重复动态拱过程致使仓壁卸料压力呈现不同震荡分布,且该位置的超压系数高于现行规范的水平侧压力修正系数Ch。EDEM离散元卸料仿真进行动态侧压力研究具有可行性,研究成果可为筒仓结构安全设计提供参考。     

基于三维离散元的弃渣边坡变形过程模拟

以某隧道弃渣边坡为研究对象,采用野外调查、室内试验等方法对弃渣体的力学参数和坡体结构特征进行测定与分析,利用三维离散元软件 PFC3D 对弃渣边坡变形至滑动过程进行数值模拟。结果表明：(1)弃渣体由几乎无黏结的碎石块组成,运用线性模型能够符合实际情况。采用筛分测定的级配与概化形状后生成的颗粒簇模拟弃渣碎石较为合理。(2)弃渣边坡下部的碎石位移增加最快,上部的碎石位移次之。边坡的变形范围从坡体下部与上部向坡体中部扩张,变形区域在中部连为一体。坡表开始滑动时,弃渣边坡变形区域与地面的夹角约等于弃渣碎石自然休止角。(3)变形区分界面发生“台阶-圆弧-台阶-圆弧”的变化并向坡内扩展,在此过程中坡体表面碎石的位移最先达到失稳临界点,失稳时碎石顺着坡面逐层滑动。     

砂砾土颗粒三维形态分布特征及其离散元模拟

砂砾土是一种典型的具有非均质性、非连续性及构成结构效应的砂-砾混合料,混合料中砂粒与砾粒的接触状态对其力学特性影响显著.使用图像处理技术提取了砂砾土中不同粒径砾粒的三维尺寸(长轴长度、中轴长度、短轴长度以及长短轴比)和棱角系数,研究了三维尺寸和棱角系数的均值、标准差和统计分布,结果表明其具有统计自相似性特点.采用多面体...     

颗粒物质局部变形的离散元模拟

在外加载荷作用下的变形分析是目前颗粒物质研究的热点问题之一．利用改进的离散单元法,对随机分布的颗粒物质在平面应变状态下的变形进行了研究,并分析了初始空隙比、围压、摩擦系数等因素对颗粒物质局部变形特征和整体稳定性的影响．数值模拟结果表明：在平面应变状态下,颗粒物质内部会出现两个相互交叉的剪切面,并且局部变形特征会随着竖向应变的增大而发生变化,这些特征和目前存在的实验结果具有较好的一致性．同时,沿着两个剪切滑移面的切向速度廓线表现为两种不同的模式,一种呈类流态模式,另一种呈类固态模式．最后对各种材料参数和因素对颗粒物质局部变形特征的影响进行了详细讨论．     

料仓中湿颗粒流动规律的数值仿真与试验研究

通过引入液桥力模型,结合离散颗粒法(DEM),数值模拟了料仓中湿颗粒的流动,研究了液桥力对料仓内颗粒质量流率的影响.结果表明:对于干颗粒,满足不结拱的料仓开口度尺寸至少为颗粒直径的3倍,而湿颗粒则要求料仓开口度至少为颗粒直径的4倍;干颗粒由漏斗流向整体流转换的角度在45°左右,而湿颗粒的转换角度为40°左右.研究还发现液桥力对于小粒径颗粒的影响明显大于大粒径颗粒.在相同含水量的情况下,小颗粒更容易出现团聚,而不易分离.     

柱型料仓与同轴电晕导线之间电晕放电理论探讨

在建立了柱型料仓内同轴电晕导线结构下的电场分布理论模型并在给出其精确解的基础上,精确推导出了Warburg公式及其结构系数.经过一个严格的数学程序,获得了一个新的精确表达式,该公式实际上是该电极结构下电流-电压关系式的一个线形方程,而非Townsend认为的一个平方式.     

Rankine被动应力状态粮仓的Janssen行为

本文针对两种不同尺寸的颗粒,研究了仓底压力的最小值随填充质量和粮仓直径的变化关系,所得结果能用Janssen公式很好拟合,但其中的径向与轴向应力比值约为2,远大于通常粮仓工程规范中的Jaky公式估算值0.4,说明仓底压力最小时粮仓的应力状态靠近Rankine被动态。研究结果表明尽管粮仓的应力状态不尽相同,但它们都能较好地遵守Janssen提出的假设。     

中心口锥底料罐中离散颗粒卸料特性的实验与仿真研究

为了研究颗粒物料在中心口圆锥底料罐中的卸料特性,采用离散单元法建立颗粒力学模型,在EDEMTM软件平台上构建半罐模型进行仿真分析,并通过实验来检测其精度。在此基础上进行整罐卸料仿真,研究料罐半锥角、颗粒形状和材质等因素对卸料过程的影响。结果表明,所建的离散单元力学模型和仿真模型比较准确地描述了颗粒卸料过程;随着料罐半锥角的减小,颗粒间的挤压力逐渐增大,颗粒轴向速率逐渐加快,相应缩短了卸料时间;球形颗粒密度越大时,颗粒间挤压力越大,卸料速率也越高;与球形颗粒相比,立方体颗粒间的挤压力更大,其在卸料口处的轴向速率相对较慢,所需卸料时间更多。     

Townsend电晕放电理论新探索

从汤逊(Townsend)基本假设出发,建立了柱型金属接地料仓内同轴电晕导线结构下的电场分布理论模型,给出了2种不同条件下的精确解,给出了包括Kaptsov假设在内的更一般表达式,为进一步讨论汤逊电晕放电奠定了基础.     

地上输料通道浅圆仓足尺装卸料试验及仿真分析

为了研究地上输料通道浅圆仓的仓壁和通道压力分布和演化规律,开展了足尺筒仓装卸料试验及仿真分析.研究表明通道的存在影响了仓壁底部侧压力分布,通道压力与其正上方的贮料实际高度相关.朗肯主动土压力系数更适合预测仓壁和通道的侧压力.隧道的深埋浅埋判定依据并不适用于贮料拱效应不明显的浅圆仓输料通道,公路隧道规范和太沙基理论预测的通道顶壁压力与实仓测试值相差甚远,而采用提出的基于浅埋理论的通道压力计算公式更为合理安全.主、次通道顶壁和侧壁偏心卸料过程中均呈现不同程度的超压现象,建议在浅圆仓通道卸料荷载计算时应适当考虑通道的超压系数.     

钢筋混凝土筒仓散料的静力相互作用分析

基于亚塑性本构理论,对钢筋混凝土筒仓仓壁与散料颗粒体之间的静态压力作用进行有限元模拟.筒仓内散料颗粒采用Niemunis和Herle基于von Wolffersdorff修正的亚塑性本构模型;仓内散料颗粒与仓壁之间的相互作用采用基于库伦摩擦定律的面面接触关系.利用ABAQUS软件所建立的有限元模型,对筒仓-散料静力相互作用进行数值模拟,并将数值模拟结果与我国、欧洲(ISO)、美国筒仓设计规范,以及筒仓经典压力理论及既有试验数据进行比较.同时,还对仓内散料颗粒材料种类、初始孔隙比、内摩擦角、摩擦系数、颗粒硬度和颗粒间应变进行参数分析,分析结果表明,散料颗粒的种类、初始孔隙比、仓内散料临界内摩擦角、颗粒硬度和颗粒间应变对筒仓-散料静力相互作用影响较大.     

聚乙烯装置改造前后料仓静电危险性对比分析

针对某聚乙烯装置改造后可能增加的风险,运用静电模拟装置模拟了聚乙烯料仓改造前后的静电起电量,通过粉尘爆炸参数测试和理论计算分析了刷形放电、堆表面放电、火花放电和传播型刷形放电的危险性.结合危险性分析结果,提出了预防静电引起料仓闪爆的措施.结果表明,随着风量和管道直径的增加,静电起电量明显增加,静电危险性加大,现场有发生刷形放电、堆表面放电、火花放电和传播型刷形放电的可能性.根据粉尘爆炸参数的测试结果,预防火花放电和传播型刷形放电可有效防止静电引起的料仓闪爆事故.