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。     

不同形状落石冲击砂垫层试验结果及分析

棚洞结构是山区公路抵抗落石冲击的重要工程手段,落石冲击响应的研究对落石灾害防护结构棚洞结构的设计至关重要。针对不同落石形状导致的冲击作用差异,通过3D打印模具,加工了5种不同形状的砂浆椭球体,研究了5种不同形状落锤对砂垫层的冲击效应。结果表明：不同形状落石的加速度时程曲线不同,达到峰值加速度的先后顺序为D₅、D₄、D₃、D₂、D₁,冲击持续时间为D₁>D₂>D₃>D₄>D₅;不同形状冲击力大小总有尖端椭球体(D₁、D₂)<球体(D₃)<扁平椭球体(D₄、D₅),以球体落石冲击力为基准,得到引入形状系数的冲击力计算公式;通过对冲击力结果的拟合分析发现下落高度对冲击力的影响相对独立,不随落石形状的变化而变化。     

撞击流内液滴碰撞的后续发展行为

为了探索撞击流内液滴碰撞后续发展行为,建立了正确反映液滴碰撞及后续发展的冷态理论模型.利用所建模型模拟了同轴对置气液两相撞击流中液滴碰撞导致的融合聚并或二次雾化过程,进而对2个喷嘴之间液滴的粒径分布进行了研究,分析了进口液滴粒径、速度、黏度以及液滴碰撞角度等对撞击流中液滴粒径分布的影响规律.结果表明:进口液滴粒径越小、黏度越大,液滴发生碰撞后聚合的概率越大;进口液滴速度较小时,液滴发生碰撞后全部聚合,继续增大进口液滴的速度,液滴碰撞后二次雾化的概率增大;在相同条件下,液滴发生斜碰时二次雾化的概率比发生正碰时要大.     

复杂接触下大理岩球砾碰撞破碎特征

落石是山区常见的地质灾害之一。为研究块石在复杂接触条件下的运动轨迹,利用改进的分离式霍普金森杆系统开展大理岩球砾冲击试验,研究了球砾碰撞破碎特征,探究了冲击角度、接触面粗糙度等因素对试样破碎的临界速度、破碎特征以及尺寸分布的影响。此外,采用高速摄影机观察破碎特征,并将试样碎片进行筛析,分析试样在不同裂纹发育阶段的碰撞破碎特征。试验结果表明：冲击角度45°≤θ≤90°,尖齿角度α=180°,速度一定时：冲击角度θ越大则试样越容易破裂发育裂纹,试样的破坏率随着冲击角度的增大而增大;冲击角度θ=90°,速度一定时：尖齿高度一定时,尖齿角度α越小,试样越容易破裂发育裂纹,试样最终的破坏率随着尖齿角度α的增加而降低;尖齿角度α一定时,尖齿高度越小,试样越容易破裂发育裂纹,试样最终的破坏率随着尖齿高度的增加而降低。因此,增加接触面尖齿角度或减小冲击角度可以有效降低落石冲击时块石的破碎程度。     

基于三维离散元法的沥青混合料断裂过程模拟

为了从材料细观结构角度研究沥青混凝土的断裂机理,运用离散元程序PFC3D内的"Fish"语言,采用多球相互重叠的方法描述粗集料颗粒的空间不规则形状,结合集料颗粒的随机投放算法和离散元的空隙处理方法,建立了沥青混凝土小梁试件的三维离散元模型;通过室内沥青砂浆单轴压缩试验和劈裂试验,并结合宏观性能与微观力学参数的转化关系,获得了用于离散元模拟的各类微观参数;采用三维离散元程序PFC3D,进行了-10℃和15℃条件下小梁中点弯曲断裂试验的离散元模拟,获得了弯曲断裂曲线;采用与混合料三维离散元结构相同沥青用量、空隙率和级配在室内成型了沥青混合料的小梁试件,并获得了室内实测断裂曲线.研究结果表明:所建立的离散元模型可以充分考虑集料颗粒的不规则形状、集料级配特征和空隙大小;三维离散元方法可以较好地模拟沥青混合料弯曲断裂过程中裂纹起始和扩展的现象,模拟结果与室内实测结果基本相当;三维离散元模拟可以作为研究沥青混合料断裂特征的辅助手段.     

输电走廊上边坡失稳滚石对杆塔撞击影响分析

为获得输电走廊上边坡失稳滚石对杆塔撞击影响,以湖州地区为例,实地调研输电走廊边坡情况,采用自然坡面试验分析边坡角度、滚石的重量和速度等参数对冲击峰值的影响,分析滚石破坏对输电杆塔的影响.结果表明:滚石的冲击力峰值与滚石冲击速度、滚石质量成线性正相关关系,且坡面坡角直接影响滚石的冲击力峰值;滚石对铁塔基础和塔材造成的故障破坏与滚石冲击次数有明显的正相关关系,且滚石质量超过1 kg,将出现故障破坏.提出采用水泥固化灾害体、采用柔性防护网等应对措施减少滚石灾害故障的产生,相关结果为输电走廊地质灾害防护提供技术参考.     

多孔材料冲击波效应的数值模拟

采用有限元方法模拟了开孔泡沫铝在冲击载荷下的响应,研究了冲击响应与相对密度和冲击速度的关系。研究结果表明:开孔泡沫铝受到较大速度冲击时,先驱产生的弹性波使试样达到准平衡状态。当试样受冲击端的应力超过平台区应力达到密实化区的应力时,冲击波产生。冲击波的形成将使试样两端的应力在一定的时间内不平衡,产生冲击波效应。具有相同的相对密度时,冲击速度越大,冲击波效应越明显,冲击波速度也越大;在相同的冲击速度下,相对密度越大冲击波效应越不明显。     

不同拦石槽参数落石运动轨迹分析与拦石槽优化设计

近年来,我国山区建设加速发展,落石灾害频发,研究落石的运动轨迹及相关运动参数(包括速度、动能等),对落石灾害的有效防治能够起到积极的作用.本文对落石运动计算进行了假定,通过优化拦石槽槽底铺设材质,运用落石计算分析软件分别分析了几种情况下的落石运动轨迹及相关运动参数.分析结果表明,若不采取拦截措施,落石将会造成重大灾害;当拦石槽底为岩基时,落石撞击防护网时的速度为34.4 m/s、动能为2 956.75 k J、撞击点高度为18.89 m,均超出了防护网的拦截能力;当拦石槽底为粗砾块石时,落石撞击防护网时的速度为14.8 m/s、动能为544.9 k J、撞击点高度为2.76 m,速度和动能均在拦截范围之内但撞击点略高;当拦石槽底为岩屑时,落石将停止在上层拦石槽的边缘,此方案能达到拦截目的;当拦石槽底为土层时,落石将停在上层拦石槽内能量被松散土层吸收转化为其他形式的能量,此方案亦可行,但山区取土困难将增加施工难度.     

崩塌体与拦石墙冲击动力演化过程及参数敏感性

以都江堰-汶川高速公路龙洞子隧道出口的崩塌灾害为对象,研究崩塌体的运动以及优化防护结构。采用基于离散元方法对崩塌灾害进行数值模拟,并开展了崩塌体与拦石墙动力冲击响应研究。结果表明:冲击动力响应结果与拦石墙高度、崩塌体运动距离、崩塌体内部块石摩擦系数及坡脚与拦石墙间的缓冲区距离均有一定的关系;拦石墙在崩塌体动力冲击作用下表现为宏观裂缝张开、微观具有冲击力超过颗粒平行连接强度而断裂的特征;进一步通过数值模拟优化了拦石墙的结构模型和设计参数。     

泥浆影响下粗颗粒坡面运移数值模拟与分析

在实验测定泥浆力学参数基础上,利用PFC3D离散单元法,模拟粘性碎屑坡面运动全过程,跟踪记录代表不同部位特定颗粒空间运移轨迹、运动速率变化过程。初步分析不同位置颗粒空间运移轨迹的差异及其对运动速率的影响。结果表明,PFC3D离散单元法能很好再现粘性碎屑流坡面启动、运移和堆积全过程;颗粒碰撞使其沿坡面横向扩展,增大其致灾范围;前端颗粒运动加速时间早,受周围颗粒影响小,具有较高的运动速率和冲击动能。为粘性碎屑流坡面运移过程分析提供新途径,为此类灾害防治提供参考。     

基于PFC2D不同细观参数对生态混凝土宏观破坏分析

采用PFC2D离散元软件通过内嵌的Fish语言创建了不规则骨料,通过建立的生态混凝土数值模型利用控制变量法从不同细观力学参数对其双轴压缩破坏的影响进行了分析。研究结果表明:平均强度和标准差主要影响混凝土材料的不均匀性,不均质度越高,强度越低,裂纹空间分布越分散;摩擦系数主要影响应力应变曲线的形状和材料强度,摩擦系数越大,颗粒之间的咬合力越大,曲线下降段的残余强度也就越大;刚度比值和接触模量的增大均会造成颗粒之间形成刚性接触,平行黏接的作用会被削弱导致高抗拉应力和更多的张拉裂纹,最终宏观表现为张拉破坏。对混凝土数值模型的力学细观参数进行探究能够更好地对其进行参数的选择,为以后建立数值模型提供参考依据。     

冲击载荷下不同有效长度扭矩轴的扭转特性

为研究扭矩轴的有效长度和载荷对其扭转特性的影响,应用ANSYS Workbench有限元软件,当扭矩轴的卸荷槽尺寸不变、有效长度967~267 mm和载荷瞬态冲击时间0.005~0.100 s时,分析扭矩轴扭转过程的静力学和瞬态动力学特性。结果表明:在不同瞬态冲击时间下,扭矩轴的切应力变化与弹塑性变形过程存在明显差异;扭矩轴有效长度越小,切应力越大;当瞬态冲击时间为0.005 s时,切应力的平均变化率为5.6 MPa/dm,瞬态冲击时间越短,切应力越大且梯度变化越大,呈现非线性特征;当有效长度为267 mm时,0.005 s切应力最大变化大于27 MPa。该研究可为扭矩轴的结构设计提供参考依据。     

一种多尺度内聚颗粒模型的构建方法及数值模拟研究

基于离散元方法采用Hertz-Mindlin接触模型和黏结颗粒模型,构建石灰岩的多尺度内聚颗粒模型。利用EDEM与ADAMS耦合将该模型应用于双摆锤冲击破碎过程,分析冲击破碎能对石灰岩冲击破碎的影响。结果表明:冲击破碎能与黏结键的数目有一定的线性关系,且冲击破碎能越大黏结键断裂越迅速,矿料破碎得越彻底;冲击角度越大,破碎力增加的速率也越大。最后该模型给出与试验相吻合的颗粒粒度分布曲线,说明该模型能够较好地模拟矿料的冲击破碎过程。     

基于PFC2D隧洞注浆混凝土三点弯曲梁破坏模拟

为研究输水隧洞回填灌浆层混凝土在上部围岩压力的作用下的破坏模式,建立PFC2D隧洞模型分析沉降,利用PFC2D颗粒流程序及该程序自带平行黏结模型,将回填灌浆层混凝土简化为一个三点弯曲梁模型,通过改变给上部圆形加载墙施加不同加载速度和赋予颗粒的平行黏结模量这两个关键因素,研究了模型应力、力链、胶结破坏能,以及从微观角度研...     

开口管桩沉桩过程试验研究与颗粒流模拟

利用侧面透明的模型箱和铝管半模桩模拟了开口管桩在砂土中的沉桩过程.分别测量了不同桩径和不同相对密实度开口管桩完全闭塞时的土塞高度.结果表明桩径越大,相对密实度越小,则土塞高度越大.利用高分辨率数码摄像设备观察到了土塞形成的三个阶段,重点分析了土塞内几个特征砂颗粒的移动轨迹和压桩过程中孔隙率和接触数的变化,从细观尺度出发探讨开口管桩沉桩过程中砂土的变形机制和土塞形成机理.利用Geodip软件分析了桩土接触面处的砂粒长轴定向和平均配位数,分析表明,土塞形成过程中颗粒原先的结构被打破以及发生了剧烈旋转,颗粒重新进行分布.在模型试验基础上,通过二次开发PFC2D颗粒流程序对沉桩全过程进行离散元仿真模拟.数值模拟结果表明,PFC2D能够模拟开口管桩从开始刺入砂土到形成土塞并最终呈现闭口管桩性态的整个过程.     

沿江堤路新老路基裂缝扩展微观机理

针对堤防路基改扩建工程中新老路基不均匀沉降和拼接处沥青层断裂等实际工程难题,通过建立新老路基结合处离散元模型,进行拓宽路基变形不协调和路面沥青层裂缝模拟,从细观角度分析了交通荷载、不同加载部位下新老路基拼接处不均匀沉降,以及各因素作用下路面沥青纵向裂缝的形成机理,并探讨了沥青层的变形破坏模式及平行黏结的断裂程度.结果表明:该离散元模型可以很好地模拟实际新老路基拼接处不均匀沉降;在交通荷载和沉降速度相同的情况下,加载部位置于新老路基交界处时,沥青路面纵向裂缝发展得更明显;在路基沉降速度和荷载作用部位相同的情况下,荷载越大,路面竖向沉降越大,沥青路面纵向裂缝发展得更明显.该离散元数值模拟研究成果为非刚性基层沥青路面的微观力学行为研究提供了一种辅助手段,弥补了室内试验可视化的不足,丰富了路基变形协调和沥青路面裂缝研究.     

钢管超高强混凝土柱在荷载作用下的挠度分析

对钢管超高强混凝土长柱、偏压柱在荷载作用下的挠度及变形特点进行了研究。结果表明:极限状态下长柱在Le/D=7~15范围内,柱中弯曲平面内侧的纵向应变都超过了钢材的屈服应变,当Le/D≤11,两侧也基本上超出了钢管的屈服应变。Le/D越大,开始产生侧向挠度时的相对荷载越低,挠度迅速增大对应的相对荷载也越低。偏压柱中部钢管的平均纵向应变随e0/rc和Le/D的增加而减小。在相同的Le/D下,e0/rc越大,开始产生侧向挠度对应的相对荷载越低;在相同的e0/rc下,Le/D越大,开始产生挠度对应的相对荷载越低,产生一定挠度对应的相对荷载也越低。     

崩落法采矿中放出体流动特性的影响因素

基于颗粒元理论和PFC3D程序,构建具有矿石散体细观力学性质的放矿模型,开展崩落法采矿中放出体流动特性影响因素研究。运用统计学知识确定对放出体流动特性有显著影响的主要因素及其敏感性,得出其与放出体流动特性的关系,并通过已有研究结论与模拟结果的对比分析,验证了基于PFC3D程序的放矿模型在放出体流动特性影响因素研究中的适宜性与可靠性。研究表明：放出体颗粒形状、摩擦系数及放矿口尺寸三种因素是显著影响崩落矿岩流动特性的重要参数。在放矿初始阶段,放矿口尺寸对放出体形态影响最大,其次为摩擦系数,颗粒形状对其影响最小;在之后的放矿过程中,颗粒形状对放出体形态影响最大,其次为放矿口尺寸和摩擦系数。散体颗粒形状越不规则、散体内摩擦角越大以及放矿口尺寸越小则放矿越困难。     

不同拦挡距离对滑坡碎屑流冲击效应影响的离散元模拟

通过离散元模拟方法研究了不同拦挡距离对滑坡碎屑流冲击效应的影响。结果表明:不同拦挡距离对碎屑流运动平均速度的影响呈下降趋势,拦挡距离越近,平均速度下降越快,拦挡距离越远,平均速度下降越慢;颗粒开始接触挡板,挡板距离越近,曲线近似于抛物线下降,挡板距离越远,曲线近似于线性下降;不同拦挡距离影响颗粒之间的最大平均接触力,曲线依然呈现先增后减再增再减的趋势;颗粒对挡板的冲击力可近似分为线性增大、持力阶段、线性减小3个阶段,挡板距离增大,线性增大阶段时间和持力阶段时间都有所减少,其中,持力阶段时间减小比线性增大阶段快,说明当建筑物离滑坡距离较近时,建筑设计要考虑最大冲击力以及后续持力阶段的作用效应,当建筑物离滑坡距离较远时,建筑的设计主要考虑最大冲击力对建筑物的影响。     

螺旋箍筋混凝土短柱低速冲击作用实验研究

为了探究螺旋箍筋对约束混凝土短柱轴向冲击作用的影响,采用超高落锤试验机对不同配箍间距和直径的混凝土短柱进行轴向冲击试验.研究发现:螺旋箍筋的直径大于其间距对轴向冲击承载力的影响,且当螺旋箍筋的直径越大时,箍筋间距对冲击承载力的影响越小.冲击力峰值随着配箍率增大呈一次线性增大,在配箍率较大(1.94％～2.91％)时,配...