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1.
颗粒材料大多由不规则形状的颗粒组成,如砂土、谷物等,抵抗转动是不规则形状颗粒的固有特性。已有研究表明,颗粒抗转动特性对其宏观力学特性有显著影响。因此,在颗粒材料的细观数值模拟中或采用非圆颗粒,或在圆颗粒离散元模拟中采用考虑抗转动的接触模型。采用有限元-离散元耦合方法（FDEM）和离散元方法（DEM）分别对椭球形状颗粒和具有抗转动能力的圆球颗粒进行三轴剪切数值模拟,指出了采用抗转动接触模型考虑颗粒形状影响的局限性,并基于颗粒的局部排布结构揭示了形状影响的细观来源。峰值内摩擦角和剪胀均随着转动摩擦系数和形状偏离圆球程度而单调增加,但颗粒形状对它们的影响呈现出明显的收敛趋势。细观组构分析也表明,虽然颗粒形状和转动摩擦都能显著增强组构各向异性,但是组构各向异性的演化模式有明显的区别。造成以上结果的差异在于其抵抗转动的影响机制不同。转动摩擦是通过限制颗粒转动,增强了颗粒间的稳定承载能力,而非圆颗粒是通过咬合作用形成稳定的局部排列结构。由于椭球颗粒腹部比端部能够传递更大的接触力,颗粒受剪切后发生转动,颗粒长轴倾向于正交大主应力方向,呈现交错排列,颗粒间相互锁定。 相似文献
2.
黏性材料细观与宏观力学参数相关性研究 总被引：7，自引：0，他引：7
岩土工程数值模拟技术中参数选取的正确性是反应材料真实力学特性的基本前提。借助于颗粒离散元分析软件PFC2D,对黏性土类材料样本开展了大量的平面双轴压缩试验。通过记录不同围压下样本的轴向应力峰值,并依据摩尔-库仑强度准则对数值试样的剪切强度参数（内摩擦角、黏聚力）进行标定。着重探讨了黏性材料细观参数中颗粒刚度比kn /ks（0.5～10共12组）、颗粒粘结强度SBS（0～50 kPa共12组）、颗粒摩擦系数?（0～6共16组）以及颗粒粘结强度比K（0.1～10共15组）和材料宏观剪切强度参数以及材料剪切特性之间的相关性。研究结果表明：颗粒粘结（法向、切向）强度同对材料黏聚力呈线性相关;颗粒摩擦系数与材料内摩擦角呈近似对数相关;颗粒刚度比大小对材料剪切强度参数变化亦有微弱的影响;此外,K值（切向粘结强度/法向粘结强度）是影响材料的剪切破坏形态的重要因素。最后,采用了两个多元非线性拟合公式,定量地描述了以上各细观参数和材料宏观剪切强度参数的联合关系,并给出了K值的建议取值,为后续的研究提供重要的理论基础。 相似文献
3.
颗粒形状是影响粗粒土密实度、力学与渗流等特性的主要因素之一。为了分析颗粒形状对粗粒土剪切特性的影响,采用离散元法生成4种不同形状的颗粒组,进行粗粒土直剪试验模拟与剪切宏细观响应研究,得出了颗粒形状对剪应力-剪位移、体应变-剪位移的影响,分析了粗粒土剪切应力、应变特性与剪胀特性。通过分析剪切带厚度、颗粒旋转量值、平均接触数、孔隙率及接触力系等宏细观参量的演化规律,研究颗粒形状在宏细观尺度上对粗粒土的影响。研究表明:异形颗粒间的咬合自锁作用大于纯圆颗粒,试样的抗剪强度有随形状系数的减小而增大的趋势。试样颗粒在外荷载作用下发生运动,应变主要表现在颗粒运动剧烈、剪胀幅度较大的剪切带内。颗粒形状系数F减小,试样的初始平均接触数增加,内摩擦角φ增大,剪切带内孔隙率增量越大,剪胀幅度越大。剪切过程中强力链聚集于剪切带内并起骨架作用,随着形状系数的减小,力链长度在0～5所占百分比呈增大趋势;剪切带内强力链的数目随着形状系数的减小而增加,峰值含量在30%～35%之间。 相似文献
4.
粗粒料是一定级配的岩石颗粒集合体,具有独特的物理力学特性。以粗粒料室内三轴固结排水试验成果为基础,基于离散元颗粒流理论,从细观角度出发,以PFC3D为工具,通过自编程及二次开发,得到按级配生成的粗粒料三轴试验数值模型。引入clump颗粒考虑颗粒形状对粗粒料强度及变形的影响,分析剪胀、颗粒形状、颗粒重排的关系。结果表明：颗粒形状是影响粗粒料强度与变形的主要因素,在其他细观参数一定的情况下,改变颗粒形状,可以显著影响粗粒料的力学行为;BPM模型的应力-应变关系只在低围压下与试验值吻合,随着围压的增大,偏差越来越大;而引入clump颗粒的PFC3D数值模型能很好地模拟粗粒料室内三轴固结排水试验的应力-应变特性,但由于BPM及clump都是刚性颗粒,没有考虑颗粒变形及破碎,造成应变剪胀偏大。 相似文献
5.
基于颗粒流理论思想,应用PFC3D 程序对自钻式原位剪切旁压模型试验(SBISP)进行了仿真模拟。以室内模型试验为基础,建立数值模型,模拟了自钻式原位剪切旁压试验加载过程,通过与SBISP试验曲线对比,验证了数值模型的有效性,分析了复杂加载条件下探头周围土体的位移发展模式和细观力学响应。数值试验结果表明,随着剪切应力的逐级施加,中间区域颗粒的位移量不断增大,并且位移矢量的方向性也更加显著,在第五级剪切应力作用下,受影响区域位移矢量形状为一倒锥形; 而且剪切应力变化与探头摩擦系数有关,当摩擦系数达到某一值时,剪切应力-位移曲线不再发生变化。 相似文献
6.
采用变量控制法较全面地分析了各细观参数与宏观参数的定量关系,表明：弹性模量E随颗粒模量Ec、黏结模量 、平行黏结半径乘子 呈线性增长,随颗粒刚度比kn /ks、黏结刚度比 呈对数减小;泊松比则主要受kn /ks和 的影响,两者之间呈对数关系;颗粒键的黏结强度决定了材料的强度,室内材料黏聚力c和抗拉强度 主要受法向平行黏结强度 、平行黏结强度比 的影响,随 线性增长,随 对数减小;摩擦角 主要受颗粒摩擦系数u影响,两者呈对数关系。分析裂隙扩展特征,表明材料法向黏结强度 和切向黏结强度 的相对大小决定裂纹分布规律,随 增大,岩样的拉破坏区域减少,而压剪破坏区域增加,破坏面由剪切破坏向共轭破坏发展;材料的强度离散性越小,岩样破坏趋于集中,破坏面明显,强度均值标准差比值 >3.5为宜; 增加,宏观破坏形式向共轭破坏发展。细观参数的选取除了匹配强度参数,同时还需要考虑破坏形式的一致,考虑多参数相互影响,建立了宏细观参数之间的经验公式,对细观参数进行优化选择,并做了实例验证。室内试验和数值模拟获得的峰值荷载、变形参数、剪切强度等数值接近,应力-应变演化规律相同,破坏形态一致,表明细观参数结果是可靠的。 相似文献
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基于颗粒流的堆石料三轴剪切试验研究 总被引：2，自引：0，他引：2
近年来频发的地质灾害使得深入研究大坝堆石体受力变形机制显得愈发迫切和重要。针对堆石颗粒具有形状极其不规则、咬合作用突出的特点,编写了一个简单易用的程序来随机生成形状不规则的数值颗粒。以正四面体为核,按照晶胞繁衍的方式,生成堆石的仿真颗粒集合体。模拟排水剪切条件下的大三轴试验,通过分析数值试验过程中细观参量的变化规律,探讨三轴剪切条件下堆石体变形的细观机制。分析表明,按照晶胞繁衍法生成的数值颗粒与圆颗粒相比能更好地模拟堆石,由颗粒簇形成的咬合力能形成更真实的力-变形关系;数值试验得到的应力-应变曲线和体变曲线与室内三轴试验结果基本一致;颗粒的破碎速率是联系堆石体宏、细观力学性质的重要纽带,通过分析堆石体颗粒破碎4个阶段细观参量的变化规律,深化了对堆石体变形机制的认识。 相似文献
8.
基于离散元的冻结砂土三轴力学特性研究 总被引：1，自引：0，他引：1
采用离散元软件中的平行黏结模型模拟冻土中冰-土颗粒间相互作用。通过调整模型细观参数,模拟了特定围压不同试验温度和应变速率条件下冻结砂土的三轴试验规律。进一步对比分析计算和试验结果表明,模型的细观参数中的刚度系数和黏结强度对材料的宏观力学行为影响较大,设定的黏结强度参数与温度成反比而和应变速率成正比。在宏观上,峰值强度随温度降低而增大,随应变速率的增大而增大。进一步分析离散元中颗粒的运动产生的剪切带倾角表明：剪切带倾角与温度成反比,而应变速率对其的影响较小;根据已有数据结果,剪切带与内摩擦角间的统计关系符合经典土力学中的摩尔-库伦解。 相似文献
9.
从细观角度出发,研究各细观参数对黄土三轴试验宏观力学响应的影响,基于三维离散元PFC3D软件及理论,结合室内三轴试验结果确定数值模拟基本细观参数取值范围,在50 kPa、100 kPa、150 kPa、200 kPa围压下对三轴试样进行颗粒流模拟,通过改变各细观参数值对黄土数值试样宏观力学行为影响程度及正交试验设计的方式,开展黄土三轴数值模拟过程中摩擦系数、孔隙率、颗粒刚度比kn/ks、颗粒粒径分布的敏感性分析,建立土体细观参数与宏观力学的关系式。结果表明:不同围压下数值试样峰值强度和剩余强度均与摩擦系数正相关,与颗粒刚度比、孔隙率负相关,而颗粒粒径分布的变化对其影响均小于2%。低围压下(50 kPa),孔隙率对数值试样峰值抗剪强度和剩余强度影响最大,颗粒刚度比次之,高围压下(200 kPa),摩擦系数对数值试样强度的影响比颗粒刚度比更为显著;对数值试样的初始线弹性模量和应变软化特性影响最大的细观参数为孔隙率,刚度比次之,颗粒粒径分布最小,200 kPa围压下正交试验分析结果与数值分析结果一致。通过改变细观参数取值范围的方式系统地分析了其对黄土三轴试验宏观力学性能的影响,为今后离散元软件用于黄土室内试验研究提供了参考。 相似文献
10.
结合边界元法和离散元法,提出一种可以进行计算颗粒内部应力和破碎路径的方法。该方法利用离散元法求解颗粒的相互作用和每个颗粒上的荷载。然后利用边界元法计算颗粒的应力分布,为了实现动态平衡,将颗粒的加速度视为恒定大小的体力。但体力导致边界积分方程中出现域积分,故采用直线积分法将域积分转化为边界积分,以保证边界元法降维的优势。为了提高边界元的计算效率,对于几何形状相似的颗粒,以其中一个颗粒作为模板颗粒,只需要计算模板颗粒在局部坐标系中的系数矩阵,其他相似颗粒可以通过局部和全局坐标系之间的映射获得。在得到应力后,基于Hoek-Brown准则来判断颗粒是否破碎。此外,将破坏路径简化为直线,并采用最小二乘法拟合得到破坏路径。 相似文献
11.
Interaction between solid particles and fluid is of fundamental interest to scientists and engineers in many different applications—cardiopulmonary flows, aircraft and automobile aerodynamics, and wind loading on buildings to name a few. In geomechanics, particle shape significantly affects both particle-particle and particle-fluid interaction. Herein, we present a generalized method for modeling the interaction of arbitrarily shaped polyhedral particles and particle assemblages with fluid using a coupled discrete element method (DEM) and lattice Boltzmann method (LBM) formulation. The coupling between DEM and LBM is achieved through a new algorithm based on a volume-fraction approach to consider three-dimensional convex polyhedral particles moving through fluid. The algorithm establishes the interaction using linear programming and simplex integration and is validated against experimental data. This approach to modeling the interaction between complex polyhedral particles and fluid is shown to be accurate for directly simulating hydrodynamic forces on the particles. 相似文献
12.
既有离散元参数敏感性分析大多集中在压缩试验及巴西劈裂试验,对I型断裂韧度 试验细观影响因素及3D破裂过程系统分析的报道较少。采用三维平节理模型（FJM3D）研究微观结构参数及黏结细观参数对不同切槽形状的I型断裂韧度试验的影响。微观结构参数包括晶粒平均半径的平方根 、模型分辨率Ψ和最大/最小晶粒直径 。黏结细观参数包括平均配位数CN、S类型单元比例 、黏结抗拉强度 、黏结内聚力 、摩擦系数 和摩擦角 。参数敏感性分析结果表明, 与 、CN及 正相关,与 、 负相关,而与 、 、 和 无明显的线性关系,此外为获得较低的 波动水平,给出了参数 和 的建议范围。根据参数敏感性分析结果,校核匹配了Kowloon花岗岩直切槽半圆盘（SCB）和人字形切槽半圆盘（CCNSCB）试样的宏观力学性质。从细观角度直观、深入分析不同切槽形状I型断裂韧度试验破裂机制,得出SCB试验曲线的峰前和峰后行为与室内试验更为吻合。 相似文献
13.
卵砾石地层被掘削时,其主要破坏模式并非一般的宏观整体剪切破坏,而是刀具切入卵砾石间的缝隙,将卵砾石颗粒剥离出原始地层,该过程较为契合颗粒离散元的物理力学假设。为确定掘削工况下的颗粒材料最优细观参数,对不同的颗粒接触法向刚度、接触刚度比、粒间摩擦系数、颗粒形状、颗粒尺寸等的颗粒材料开展了截割三维仿真试验,并分析研究了不同细观参数对掘削效果的影响。计算结果显示:颗粒接触法向刚度、接触刚度比的多种细观参数组合可以对应同一个宏观弹性模量值,接触刚度比大的细观参数组合的抗掘削能力更大。颗粒形状、粒间摩擦系数的多种细观参数组合可以对应同一个内摩擦角值,形状复杂的颗粒材料具有更大的抗掘削能力。在宏观参数相同的情况下,平均粒径更大的颗粒材料抗掘削能力更大。因此,利用颗粒离散元模拟掘削卵砾石地层问题时,除需保证虚拟颗粒材料的宏观整体剪切破坏响应与真实材料基本一致外,还需根据材料的抗掘削能力进一步标定细观参数,以获得更贴近实际情况的模拟效果。文章提出的方法可以为其他颗粒离散元掘削工况数值模拟中的参数标定提供参照依据。 相似文献
14.
颗粒大小对颗粒材料力学行为影响初探 总被引：1，自引：0，他引：1
利用一种特殊颗粒材料-玻璃珠进行了一系列室内直剪试验,研究颗粒大小对颗粒材料力学行为的影响。试验一共考虑了3条近乎平行的级配曲线和4种颗粒摩擦情况：干燥状态、水浸润状态、水淹没状态和油浸润状态。试验结果表明,颗粒大小对颗粒材料的力学行为有显著影响,剪胀性随着粒径的增大而增强。为考虑颗粒大小对剪胀性的影响,提出了一种新的剪胀关系式。在该剪胀关系式中,剪胀系数为依赖于颗粒大小和颗粒摩擦等颗粒基本性质的变量。试验研究同时表明临界状态摩擦角随着颗粒大小的增加而增加。此外,从颗粒细观运动的角度提出了颗粒滑动的功能模型,推导出了功能方程,并以此揭示了颗粒大小对临界状态摩擦角影响的细观机制。 相似文献
15.
采用室内砂雨试验和颗粒流软件PFC2D,研究了颗粒粒径和摩擦系数对砂粒堆积结构压力特性的影响。室内试验是通过自制砂雨装置,选取不同级配的干砂、湿砂、湿砂+黄土,研究颗粒粒径和颗粒间摩擦系数对砂堆底部压力的影响;数值模拟利用PFC软件内置命令（ball generate）生成3种不同粒径的颗粒,通过ball property命令给颗粒间赋予6种不同的摩擦系数,从力链角度分析其对砂堆结构内部的影响。结果表明:颗粒粒径和颗粒间摩擦系数对砂堆结构底部压力具有显著的影响;相同摩擦系数条件下,颗粒粒径越大,堆积结构内部力链分布越稀疏,其底部压力越小;相同粒径条件下,砂堆底部压力随摩擦系数的增大呈先减小后趋于稳定的趋势,即摩擦系数对砂堆底部压力的影响存在上限值。 相似文献
16.
堆积特性是颗粒形状、大小等因素的综合体现,也在一定程度上反映了颗粒集合体的力学特性。以河流冲积型圆砾土中主要占比的10～50 mm圆砾为对象,利用数字图像技术,通过对大样本圆砾颗粒的形态特征分析,选取轴向系数作为圆砾的形状特征参数,并据此提出了圆砾颗粒的椭球模型构建方法,建立了与实际圆砾料在形状和大小上同分布的圆砾椭球模型数据库,进而通过数值堆积试验分析了单粒组圆砾料的堆积特性,并与室内圆筒堆积物理试验进行对比。有以下结论：圆砾的形态特征主要体现在宏观轮廓形状,棱角特性不明显;圆砾堆积数值模拟结果表明,不同大小粒组圆砾堆积孔隙比变化较小;颗粒间摩擦系数对于堆积孔隙比有显著影响,摩擦系数介于0～0.4时,孔隙比变化剧烈,随后逐渐趋于平缓;室内圆筒堆积试验结果验证了椭球模型模拟圆砾堆积的有效性,标定了重力堆积条件下圆砾料颗粒间摩擦系数约为0.3。 相似文献
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岩石破碎过程涉及到多个变量（应力、应变和孔隙率等）变化和裂纹的产生、拓展和聚集,是研究岩石破碎机制的重要途径。为了克服现有研究中岩石颗粒模型未考虑岩石内部特征问题,针对岩石内部颗粒非均匀分布、聚集的特点,开展了岩石轴压破碎试验和岩石岩相分析试验,并在此基础上,构建符合真实岩石内部特征的多尺度内聚颗粒模型。根据离散元的颗粒黏结模型（BPM）理论,求解了多尺度内聚颗粒模型不同粒级颗粒间黏结键的力学关系,发现与二级颗粒形成的黏结键断裂判据为 ≥ 2 GPa,三级颗粒之间形成的黏结键断裂判据为 ≥ 6 GPa,并基于该判据建立了用于模拟颗粒模型破碎的演化模型。通过模拟轴压破碎试验,破碎演化模型可以从细观角度得到颗粒模型各颗粒间黏结键承受力的实时变化和岩石破碎过程中黏结键从外而内的断裂顺序;从宏观角度得到岩石内部裂纹呈V形从上表面两端延伸并相交于岩石中部。通过与岩石轴压破碎试验结果对比发现,模拟试验得到的岩石裂纹特征与岩石轴压破碎试验结果相似,验证模型的可靠性,实现了从细观和宏观角度分析岩石破碎过程。 相似文献
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离散态颗粒物质具有明显不同于普通固体的界面摩擦特性,而摩擦系数是界面摩擦特性的主要表征参数之一。通过倾斜仪开展不同级配条件下颗粒材料的滑动摩擦试验,基于视频图像解析以及函数拟合方法,建立滑动位移与滑动时间的最佳函数拟合关系,分析滑动过程的加速度并推算底面动摩擦系数,研究颗粒粒径、质量配比等级配因素对颗粒材料底面动摩擦系数的影响。研究结果表明:(1)各级配颗粒材料的平均底面动摩擦系数随着运动时间的增加均呈线性减小趋势;(2)对于单粒径材料,与粗颗粒相比,细颗粒具有较大的底面动摩擦系数;(3)对于双粒径材料,随着细颗粒含量的增加,颗粒材料的平均底面动摩擦系数先急剧降低至最小值(细颗粒含量≤40%),后急剧增加(细颗粒含量40% ~60%),最终增加趋势明显变缓(细颗粒含量≥60%)。 相似文献
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考虑到颗粒形状对粗粒料的力学特性有重大影响,提出了一种新的表征颗粒形状的方法,即在椭圆上随机选取一系列点连接成多边形颗粒,表征狭长扁平的颗粒。新方法较圆上取点的方法能代表更多类型的颗粒形状,适用范围更广。提出了一种新的粗粒料投放算法,即先缩小颗粒,然采用随机算法将缩小的颗粒投放至给定区域,对颗粒划分好网格后,将颗粒放大到原来的大小,然后采用有限元-离散元(FEM/DEM)方法计算稳定后即生成了相应的试样。通过将上述颗粒生成及投放算法与FEM/DEM结合,应用于粗粒料的数值模拟。分析表明,FEM/DEM是研究粗粒料力学性质的较好方法,对复杂的颗粒形状也可简单建模,且因在颗粒内部划分了有限元网格,复杂的接触判断及接触力计算转化为标准统一的三角形和三角形之间的接触判断及接触力计算,所有的计算均可标准化、统一化。同时因为颗粒是可以变形的,依然保留了连续介质力学中应力和应变的概念,无须像PFC那样需通过测量圆来间接表示某点的应力、应变。最后,通过粗粒料的侧限压缩试验的数值模拟,展现了文中提出的一整套解决方案在模拟粗粒料方面的巨大潜力。 相似文献
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Macroscopic and microscopic behaviors of granular materials under proportional strain path: a DEM study 
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下载免费PDF全文 Under the proportional strain loading path, particle assemblies may exhibit various failure modes. Besides the strain localization, the diffuse failure may also occur under certain conditions. The diffuse failure mode corresponds to a homogeneous occurrence of failure with stress states strictly included within the plastic limit condition. This paper emphasizes the influences of the density degree and the rolling resistance under the strain path. A contact model considering rolling friction is adopted in a discrete element method analysis as an approximate means to account for the effects of particle shape. Mechanical responses indicate that loose assemblies without the rolling resistance are more vulnerable to static liquefaction. A sample with a smaller initial void ratio or larger rolling friction coefficient will reinforce the stability of the structure and reduce the likelihood of failure. For microscopic properties, the evolution of coordination numbers, contact forces, force chains and the anisotropies of the assemblies are explored and discussed. Rotational resistance helps increase the shear stress of the granular material, and the microscopic parameters indicate that the assembly has a strong anisotropy and a stable structure to resist the increasing loading. 相似文献