基于离散单元法的渗流侵蚀作用下桩基位移与承载特性研究

随着城市地下空间桩基与隧道立体交叉分布体系的日渐复杂,隧道渗流侵蚀引发的桩基稳定性问题越发突出。然而,目前关于隧道破损引发渗流侵蚀方面的研究工作主要聚焦于侵蚀发生机制方面,其与邻近桩基的相互作用尚欠关注。因此,在物理试验揭示渗流侵蚀机制的基础上,通过建立土体临界细粒含量表达式,量化表征了地层侵蚀形态;随后,采用随机定量删除细颗粒的方法,基于离散单元法DEM建立了多区域侵蚀地层模型,进而分析了不同桩基位置、沉桩方式、桩基荷载和基础类型条件下桩基结构的侵蚀响应特征。结果表明,桩基受侵蚀后均产生不同程度的下沉位移,并在不平衡力的驱动下向侵蚀区倾斜;桩端阻力受损后随桩体下沉逐渐上升,侧摩阻力损失则基本无法恢复。此外,不同沉桩方式与桩基荷载下,桩体的位移与阻力变化模式基本一致,主要是变化量的不同;相比单桩,群桩具有更好的抗侵蚀能力。

三维可变形圆化多面体离散单元法

为真实模拟岩体的变形特性与运动形态,将圆化多面体离散元法与有限单元法结合,提出一种三维可变形圆化多面体离散单元法。该方法既能真实表征块体的不规则特征,又降低了接触判断的难度,同时能准确反映块体的变形特性。在求解切向接触力时,将接触判断对象从接触对简化为单元整体,显著提高了计算效率。为分析块体变形特性,在块体离散单元内部划分有限元网格,将最外层有限元网格作为最小接触单元。采用直接平均法,将接触力转化为等效节点力,并采用非线性有限单元法实现对单元变形特性的精确模拟,克服了圆化多面体无法反映单元变形的缺陷。通过5个算例论证了新方法在捕捉单元变形、运动形态以及其力学特征等方面的准确性和高效性。

基于离散单元法的立筒仓卸料动态侧压力数值模拟分析

为研究粮食立筒仓卸料时的动态侧压力,采用离散元仿真软件EDEM数值模拟玉米、小麦和稻谷三种粮食,研究不同种类贮料物理特性和接触属性下的静态侧压力分布,并与规范计算值进行对比;分析卸料过程中动态侧压力分布规律和相应超压系数、流动状态与速度分布关系;基于灰色关联度分析法进行卸料时动态侧压力影响因素分析。研究表明:三种贮料的静态侧压力最大值均出现在仓壁底部范围内且大于规范值,规范公式计算值偏于保守。动态侧压力在卸料过程中会发生震荡增大,三种贮料的动态侧压力最大值分别为6.08、5.38和4.73 kPa,均发生在0.8 m测点深度处且均超过规范中所要求的水平侧压力修正系数,现行规范中水平侧压力修正系数偏于不安全。贮料密度、贮料与仓壁静摩擦系数和贮料与筒仓结构碰撞恢复系数是影响动态侧压力的主要因素。该文可为筒仓规范中对贮料与筒仓结构的碰撞恢复系数的分析提供理论支持。

基于计算流体力学-离散单元法的U形管冲蚀磨损数值模拟研究

采用计算流体力学-离散单元法(CFD-DEM)和切向撞击能模型(SIEM)来研究气固两相流中高速煤粉颗粒冲击导致的U形弯管冲蚀磨损问题。分析了颗粒粒径、气体流速、固体颗粒形状对其冲蚀磨损特性的影响,并验证粗粒化模型应用于此磨损过程的准确性。结果表明,U形弯头的冲蚀磨损位置主要有3处;磨损率随粒径的增大呈现整体减小的趋势;U形管拱背磨损率随气速的增加而增大,且前2处磨损率峰值位置随气速的增加向入口方向偏移;长椭球对U形管造成的磨损最严重,扁椭球次之,球形最轻;粗粒化CFD-DEM能够基本准确预测U形管冲蚀磨损,且显著降低计算时间。

基于离散单元法的不同含水率土壤在转鼓中的流动行为研究

机械化学法修复POPs污染土壤应用前景良好,但由于无法通过实验手段获取球磨罐内颗粒运动信息,难以对工艺参数进行优化。考虑到土壤颗粒在球磨罐中的流动状态与在转鼓中十分相似,本文采用离散单元法(DEM)研究不同含水率土壤在转鼓中的流动行为。为了模拟土壤的结块特性,本文采用基于JKR理论的Surface Cohesive Force模型建立土壤粘聚力模型,并以转鼓试验过程颗粒的坍塌周期和质心角为指标验证了仿真参数的合理性。根据试验与仿真的结果可得,土壤的含水率越高,转鼓中土体坍塌周期和单次坍塌块体体积越大;土壤含水率在仿真过程中以表面能极性分量为表征,含水率越高,表面能极性分量越大,土壤内聚力作用下的结块现象越明显。此外,在仿真过程中,土壤的滚动摩擦系数显著影响转鼓内土壤颗粒整体的分层效果。由于本文使用球形颗粒代替土壤团聚体,摩擦系数的选取不应限于SiO_(2)材料的摩擦系数取值范围,才能保证仿真与试验结果的一致性。

基于离散单元法的双辊餐厨垃圾破碎机产物粒径影响因素仿真分析

餐厨垃圾的处理包括对餐厨垃圾实施破碎、压榨、分选等操作,以实现固体破碎、固液分离、油水分离,进而达成无害化处理或资源回收利用目的。双刀辊破碎装置是实现餐厨垃圾固体破碎的高效设备之一,其作用是将大块物料粉碎成粒径细小且均匀的物料颗粒,以便于进行后续处理和存储运输。基于离散单元法,采用仿真软件EDEM的Edinburgh Elasto-Plastic Adhesion和Tavares UFRJ Breakage接触模型,模拟了双辊转速分别为10、15、20、25、30 rad/s和物料颗粒初始半径分别为10、15、20、25、30 mm时破碎装置的工作情况。结果表明:刀辊转速和初始颗粒半径都对破碎装置的破碎效率及出料颗粒粒径分布具有显著影响;双辊转速越快,完成破碎作业所需时间越短但出料颗粒里小粒径占比会降低;入料半径15 mm时作业效率最高,而入料半径30 mm时出料颗粒里小粒径颗粒占比最高。

基于离散单元法对房屋结构不同参数的研究

文章利用离散单元法对砌体墙进行分析,研究了不同高宽比、开洞率以及竖向荷载条件下墙体的性能变化规律。通过模拟结果可以看出,在不同宽高比、开洞率和荷载条件下,房屋砌体墙结构的承载特性和受力性能与现有实测数据的变化规律类似,吻合性良好。因此,文章利用离散元方法所建的模型房屋结构模型可以模拟真实的砌体墙在受到外荷载时所表现的承载特性。此外,该模型能够有效预测房屋结构的破坏模式。相关研究结论可为实际砌体墙工程提供参考。

“跨学科教学视角+离散单元法综合实训”的非计算机学科本科生编程计算能力培养

针对省属高校新工科建设由于办学资源等因素制约而不宜套用部属及双一流高校路径的问题,在问卷调查分析理工科本科生计算编程能力状况的基础上,提出微调培养方案,通过增设跨学科综合实训体系推动新工科建设。以融合多学科知识的离散单元法综合实训为例,探讨其对理工科专业的综合性及普适性,介绍构建综合实训的教学框架的方法,并从跨学科知识学习、编程逻辑与方法、心理建设等方面阐述如何培养非计算机学科本科生编程计算能力的多维途径,通过介绍初步实践过程说明教学效果达到预期目标。

基于块体离散单元法的走滑型活动断裂错动作用下隧道结构响应

以某穿越走滑型活动断裂带隧道为工程背景,采用离散单元法建立“围岩-衬砌-断裂带”三维块体离散单元模型,分析不同错动量作用下隧道衬砌整体位移响应;明确统一的隧道复合式衬砌结构位移及类圆形断面变形损伤控制标准,分析走滑型活动断裂错动作用下沿隧道纵向位移变化和横断面上径向变形损伤规律,并对比3种断面预留位错空间方案下的衬砌响应规律。结果表明;隧道衬砌的显著性位移和径向变形率最凸出区间均主要集中在断裂带及其两侧附近,拱顶竖向位移向下呈“V”形,仰拱底部竖向位移向上呈倒“V”形,左右拱脚水平位移方向均与断裂错动方向一致,呈“S”形;随着错动量的增加,衬砌节段间差异位移不断增大,断面上拱顶和仰拱底部变形最为严重;随着断面预留位错空间的增加,衬砌位移极值不断增大,但断裂带两侧隧道衬砌影响范围基本不变,断面上部分关键部位之间损伤破坏临界错动量减少,不利于隧道结构抗错。

基于非球形颗粒离散单元法分析单模块装药药粒散布特性

为研究全等式模块装药背景下单模块装药点传火过程中火药颗粒群的散布特性及药粒堆积形态,提出三维非稳态气-固两相流模型,在取不同的模块药盒装填位置的初始条件下进行数值模拟,其中柱状火药颗粒由球元法构建。通过离散单元法(DEM)获得的数值结果与试验结果进行比较,发现上述模型是合理可行的,并且比球形颗粒模型更为精确。研究结果表明:在模块药盒初始装填位置距底火端分别为10 mm、40 mm、70 mm和100 mm时,终态药粒分布于模块药盒右端面外侧,依次呈水平堆积和坡状堆积;随着模块药盒与底火端的距离增加,水平堆积轴向长度从293.3 mm减少至203.8 mm,坡状堆积的坡角由22.01°降为19.82°,即随着模块药盒向右移动,药粒水平堆积起点右移,轴向长度呈线性缩短,但坡状堆积轴向长度大致不变,坡度变缓。

基于离散单元法的氢氧化锂粉末螺旋输送机优化设计

针对氢氧化锂粉末在螺旋输送机上出现的输送不稳定、不均匀等问题,采用离散单元法对氢氧化锂粉末螺旋输送机进行了优化设计。首先,通过离散单元法建立氢氧化锂粉末螺旋输送机的仿真模型;其次,以螺旋轴径、螺距和转速为试验因素,以平均质量流量和输送稳定性变异系数为评价指标,设计了三因素三水平Box-Behnken正交试验;最后,分析各试验因素对输送稳定性的影响,并进行参数优化和出料口螺杆的优化设计。试验结果表明:各因素对氢氧化锂粉末螺旋输送机输送稳定性的影响大小依次为:转速、螺距、螺旋轴径。以平均质量流量333 g/s为设计目标,当参数组合为螺旋轴径26 mm、螺距75 mm、转速108 r/min时,得到最小输送稳定性变异系数为20.65%,但未满足输送稳定性要求。为进一步提高输送稳定性,基于以上参数组合,将出料口位置处的螺杆设计成无螺旋叶片,仿真试验表明:输送稳定性变异系数为8.96%,满足输送稳定性变异系数小于10%的要求。该研究可为氢氧化锂粉末螺旋输送机的优化设计提供一定的参考。

破裂过程模拟的可变形圆化多边形离散单元法

为研究工程中岩体内部裂纹的萌生、拓展和贯通机制,模拟其破裂时接触碰撞的全过程,提出可变形圆化多边形离散单元法。该方法将有限单元法与圆化多边形离散单元法进行耦合,采用圆化多边形离散单元法计算非连续岩体间的相互接触作用,连续体内部的应力应变状态则通过有限单元法进行分析。为准确模拟裂纹演化过程,在有限单元间插入节理单元,采用虚拟裂缝模型和具有拉伸截断的摩尔-库仑准则描述节理单元在拉伸、剪切等不同破坏模式下的力学状态。最后模拟巴西圆盘开裂、单切口弯梁开裂及块体冲击破坏试验。研究结果表明:所提出方法能准确模拟岩体从连续体变化为非连续体的破裂过程。

基于离散单元法的立磨机关键影响因子分析

立磨机是矿物加工领域中高效细磨的关键装备,为深入探索立磨机磨矿效率的影响因子,总结了离散单元法用于立磨机研究的现状,并采用离散单元法,对立磨机介质的运动轨迹、力学参数、动力学参数、能量分布等进行了研究分析。结果表明,介质运动状态是立磨机高效细磨的关键,不同区域的介质运动规律并不相同,介质的速度、角速度、动能、旋转动能等在搅拌装置外缘处达到最大值,在筒壁处达到最小值,故搅拌装置与筒体间的环形间隙处速度梯度最大,是磨矿的重要区域。通过对立磨机内部影响因子的分析,为从微观角度剖析立磨机磨矿行为奠定了基础,为立磨机的选择性磨矿研究、技术优化和产业化指明了方向。

基于离散单元法一字排列三螺杆挤出机固体输送段输送机理分析

利用离散单元法对计量加料下一字排列三螺杆挤出机固体输送段进行模拟。分析了聚合物颗粒在一字排列三螺杆挤出机正位移输送和摩擦拖曳输送2种输送机理下的输送情况,计算出一字排列三螺杆挤出机的输送特性参数,并与双螺杆挤出机进行对比分析。结果表明,由于三螺杆挤出机啮合区的增加,提高了颗粒在挤出机螺槽内的填充率。一字排列三螺杆挤出机在填充程度、质量流速率等方面均优于双螺杆挤出机,并且输送产量大约为双螺杆挤出机的1.3倍,在聚合物加工行业具有较好的工程应用前景。

基于离散单元法的引水隧洞围岩稳定性分析

引水隧洞围岩稳定性,对长引水式水电站工程的投资、工期以及运行期的安全而言尤为重要。以西部某长引水式水电站引水隧洞为例,笔者采用离散单元法对引水隧洞在初始地应力场、开挖后未支护及开挖后及时支护工况下围岩应力、变形及塑性区发展等情况进行了计算分析。结果表明:洞室开挖后顶拱及边墙部位变形突出;受围岩拱效应的影响,底板出现较大位移,且局部存在应力集中现象;围岩变形及塑性区深度范围的支护影响效果明显。该成果已应用于工程实践,对类似水电站引水隧洞设计和施工起到一定的参考作用。

基于离散单元法的采煤机装煤性能研究

为提高薄煤层采煤机装煤效率,进而提高薄煤层煤炭资源的开采效率以及经济效益,以高功率薄煤层采煤机MG2×250/1200-WD为例,利用离散元法研究滚筒的运动参数以及结构参数对薄煤层采煤机装载性能的影响规律。研究结果表明,薄煤层采煤机(滚筒直径小于1300 mm)滚筒采用内旋装载效果较好;通过控制变量法研究滚筒转速以及牵引速度对采煤机装载性能的影响规律,当滚筒转速为45 r/min、叶片升角为13°、牵引速度为5 m/min时,滚筒装载性能最佳。

基于离散单元法的水平圆盘式精量排种器排种仿真试验

为了优化水平圆盘式精量排种器的最佳排种性能参数(动排种盘转速、动排种盘厚度、型孔圆角半径),达到提高粒距合格指数、降低漏播和重播指数指标,并降低大田试验强度。该文基于离散单元法对根据全膜双垄沟播技术所设计的水平圆盘式精量排种器进行了排种数值模拟,并得到玉米籽粒模型排种、重播、漏播的形成过程;为提高其排种性能,进行了排种仿真试验。仿真结果表明:以合格指数较高为重点、兼顾重播指数和漏播指数较低的原则,确定了动排种盘转速为17 r/min、动排种盘厚度为6 mm、型孔上边倒圆角半径为1 mm时为较优组合,此时粒距合格指数S=97.05%、重播指数D=1.83%、漏播指数M=1.12%。田间验证试验表明:在上述条件下,测得粒距合格指数为S=95.13%,重播指数D=2.34%,漏播指数M=2.53%,重点指标粒距合格指数误差2.02%(<5%)。因此,基于离散单元法的排种器仿真试验为排种器性能参数的确定提供参考。

不连续散粒体的离散单元法

建立了球体元三维离散单元法的单元接触模型。该模型把两个球体空间接触时的相互作用简化为四个弹簧阻尼器和三个滑动摩擦器。根据赫兹接触理论和非完全弹性碰撞理论，合理地确定了各接触参数。文中详细讨论了接触球体间相互作用力的分析计算方法和球体间产生接触的判断及检索方法，给出了球体元三维离散单元法的原理、算法和数据结构，并编制了相应的程序。利用该程序对球体自重下落和颗粒阻尼减振器分别进行了仿真计算，理论结果和实验结果有较好的一致性，验证了本文方法和程序的正确性。

离散单元法的计算参数和求解方法选择

本文对离散单元法的一些基本问题进行了研究，给出了刚度计算公式，提出了两种新的用于求解静态问题的自适应阻尼，并以自由落体运动为例，探讨了中心差分法、Ｗｉｌｓｏｎθ法和Ｎｅｗｍａｒｋ法对离散单元法解的影响。

三维离散单元法及其在滑坡分析中的应用

介绍了三维离散单元法的基本原理,编制了相应的C语言程序,并对具体的滑坡实例进行了模拟,发现计算结果与已有研究成果较为一致,表明三维离散单元法是一种可以动态模拟山地滑坡行为的比较适宜的数值方法。