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。     

非饱和土三维离散元计算中宏-细观参数关系探究

提出了一种建立非饱和土体宏-细观参数之间关系的方法,来建立在不同孔隙比和含水率等初始条件下非饱和土在不同应力路径下的离散元计算模型;通过编制离散元程序,基于接触粘结模型,对现有的PFC3D(Particle Flow Code in three dimensions)离散元程序进行改进,从而对在不同颗粒间粘结强度下的离散元试样进行一维固结的数值模拟试验来确定其结构屈服应力,并以结构屈服应力为桥梁建立颗粒间粘结强度随含水率变化的函数关系,最后建立能够反映真实非饱和土试样颗粒级配和在不同含水量下的离散元数值模型,为通过PFC3D等三维离散元软件研究非饱和土的基本力学特性提供思路.     

砂卵石层隧道离散元细观参数标定及影响规律研究

砂卵石层隧道围岩具有大小颗粒混杂,形状不规则等特点.在进行数值分析时与传统有限元计算差别较大.因此,运用离散元颗粒流软件对砂卵石层隧道围岩进行细观参数标定及数值模拟,通过开展室内试验以及砂卵石层细观参数影响规律研究.结果表明,二维模型和三维模型的细观参数标定结果不同,且相同细观参数情况下,二维模型得到的峰值强度远大于三维模型;颗粒粒径与试样尺寸对于应力应变曲线形态有显著影响,但当颗粒粒径与试样尺寸比值大于1/60时,影响减弱;颗粒形状对于应力应变曲线特征值有较大影响,颗粒越扁平,峰值强度越高,颗粒越接近圆形,则峰值强度越低.通过对砂卵石层围岩进行数字图像处理,得到了砂卵石层围岩的颗粒性状,结合筛分试验和大型三轴剪切试验,标定得到了不同相对密实度及不同含水率情况下的砂卵石层细观参数.     

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.     

基于离散元的冲击荷载下加筋道砟细观研究

为了从细观上探究冲击荷载下加筋材料加固作用机制,通过离散元方法建立道砟颗粒模型,采用平行黏结模型建立土工格栅、土工格室柔性模型;通过对比室内道砟冲击试验和数值模拟结果,从宏观、细观上研究道砟竖向累积沉降和侧向变形,并对道砟应力链分布、颗粒接触和位移等进行细观分析。结果表明：在冲击高度为250 mm时,相较于未加筋道砟,土工格栅加筋道砟的竖向沉降和侧向变形分别减少24.4%和12.7%,土工格室加筋道砟分别减少33.5%和24.0%;由于道砟加固区存在垫层效应,土工格栅和土工格室加筋道砟的颗粒接触数分别增加9.3%和42.6%,平均接触力分别减少5.6%和16.7%;对比道砟颗粒平均位移,土工格栅和土工格室加筋工况相较于未加筋工况分别减少13.3%和21.1%,土工格室加固效果比土工格栅更为显著。     

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.     

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。     

粗砂滑坡离心模型试验及离散元细观模拟

为了探明砂土滑坡的力学机理,采用自行研制的降雨诱发滑坡离心模型试验装置,进行粗砂滑坡离心模型试验,基于试验结果,采用改进后的离散元数值模拟程序对滑坡过程进行细观研究,从细观和非饱和角度对离心模型试验进行补充。研究结果表明：粗砂滑坡发生的细观机理为坡体中的水无法及时排出,导致土颗粒悬浮在水颗粒中,土颗粒间的接触减少甚至脱离,土颗粒间的相互作用力转化为土颗粒与水颗粒之间的作用力,土体出现流体特征,抗剪强度丧失。滑坡的发展表现为两种可能的形式：各处水颗粒施加给土颗粒的作用力与此位置土颗粒的接触力正好相等,表现为整体滑动;水颗粒施加给土颗粒的作用力等于土颗粒重力和前部土颗粒的接触力之和,表现为后部滑坡向前部发展。     

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。     

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。     

短时冻区残积土细观破坏过程的离散元模拟

为明确短时冻区残积土体细观破坏规律,以福建省短时冻区典型残积土为例,基于三轴试验数据对不同短时冻融次数下残积土的细观参数进行标定,同时分析围压及冻融次数下残积土细观破坏过程.结果表明:残积土在压缩过程中,逐步呈现出一个菱形区域,最终菱形区域会形成一个剪切面.残积土压缩时破坏过程可分为弹性变形阶段、塑性发展与强度峰值阶段以及峰后破坏三个阶段.残积土的稳定性会因土体周围围压的上升和土体冻融次数的减少而提高,同样也会增加残积土的抗剪强度.     

基于幂指数硬化模型的细观损伤参数标定方法

损伤参数的标定一直是GTN细观损伤模型在工程应用中的瓶颈,参数选取的合理与否直接影响模拟结果的准确程度。本文提出了一种基于幂指数硬化模型的细观损伤参数的标定方法,利用响应面法建立了硬化参数与损伤参数的函数关系;再利用硬化参数建立了误差评价函数来确定损伤参数。以双相钢DP780为例,进行单向拉伸及槽型件成形数值仿真,并与试验结果进行了对比,验证了本文方法的准确性和有效性。     

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。     

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.     

国际离散元方法研究进展

<正>由大连理工大学工业装备结构分析国家重点实验室主办的第7届国际离散元(DEM)大会于2016年8月1~4日在大连理工大学召开。来自中国、美国、英国、荷兰、法国、日本、韩国、澳大利亚等多个国家和地区的270多位专家学者参加了本次会议。本次会议主要针对颗粒材料的基本物理力学行为、离散元方法中的接触模型、高性能计算方法等,并结合自然灾害与工程领域中急需解决的、与颗粒物质相     

土工格室与砂土拉拔试验离散元细观分析

为研究土工格室加筋砂土的界面作用特性,采用离散元程序(PFC3D)建立土工格室加筋砂土的拉拔试验数值模型,分析了拉拔过程中的筋土界面位移、格室节点受力及界面接触力和孔隙率等宏细观参数的变化规律,揭示了土工格室加筋砂土在拉拔过程中筋土界面作用的宏细观机理。结果表明:格室拉拔阻力主要由格室纵肋界面摩擦阻力及格室横肋的被动承载力组成,界面摩擦阻力在前期发挥主要作用,而横肋的被动承载力在后期发挥主要作用;筋土界面区域的土体接触力和局部孔隙率随拉拔位移发生疏密相间的变化,界面区域砂土发生脱空,同时局部土体产生剪胀作用,对应界面孔隙率增大;宏观上随着拉拔位移增加,颗粒挤密咬合能力增强,对应的细观参数(界面接触力和界面局部孔隙率)发生起伏变化,界面区域接触力增大从而使得拉拔阻力随格室拉拔位移的增大而增大。     

橡胶砂直剪试验的颗粒离散元细观力学模拟

文章基于颗粒流理论和PFC2D程序,对橡胶砂颗粒混合物的直剪试验进行了数值模拟,并与室内直剪试验的结果相比较,分析了不同竖向应力下混合物颗粒变形的细观机制,探讨了颗粒接触刚度、摩擦系数、孔隙率、剪切速率等细观参数变化对宏观力学特性的影响;从能量变化、力链变化、颗粒分布、速度场、位移场等细观角度分析数值试验结果,揭示了直剪试验中橡胶砂的细观力学性质和颗粒变形规律。研究结果表明:数值模拟能够较好地反映橡胶砂直剪试验的变形规律,得到的剪应力-剪切位移曲线和竖向位移-剪切位移曲线接近试验曲线;颗粒接触刚度、摩擦系数、孔隙率的改变对橡胶砂数值试验的结果均有不同程度的影响,满足加载条件的剪切速率对试验结果影响不大。     

岩石细观强度离散元数值模拟中颗粒形状的影响

利用离散单元法,对3种不同成分的岩石样本进行强度数值模拟.通过改变岩石内部颗粒大小和形状,获得各个样本不同的强度值;利用颗粒形貌规律,分析岩石离散元建模时颗粒的组建规则.在不同单元组合方式下,进行双轴压缩试验和4点抗弯试验.结果表明,单一的圆盘形或圆球形模拟单元不能真正反映岩石内部的组织结构;弹性模量、抗压强度、抗弯强度和裂纹起始应力都随着单元组合方式不同而不同,单元组合方式越复杂,其数值也越大;配置不同单元组合形式的比例构建DEM样本,可以合理地模拟出岩石的细观强度值.