基于能量守恒的球单元离散元法向接触力计算方法

接触力计算模型是DEM的重要环节,现有的法向接触力计算模型中,对延性材料的模拟结果较好,但对脆性材料误差较大。经典离散元理论中的Cundall系列模型并未考虑单元形状对接触力的影响,Hertz模型虽计算结果较为准确,但条件要求严苛,很难直接推广至其他形状。本文建立了一种基于能量守恒的法向接触力计算模型—体积模型,以势能函数为基础,推导出球形单元法向接触力的计算公式;同时独立开发完整的离散元算法程序框架,将模型嵌入到离散元程序中;设计混凝土球形颗粒试验,将试验结果与模拟结果对比,结果表明体积模型在脆性材料的法向接触力计算中有更高精度。

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。

基于离散模块梁单元理论的超大型浮体在非稳态载荷下的水弹性响应

使用离散模块梁单元(Discrete-Module-Beam,DMB)理论计算超大型浮体在非稳态载荷下的水弹性,包括位移响应和结构力响应。使用三维势流理论进行水动力分析,并基于Cummins方程将DMB方法扩展至时域;使用子梁法进行位移响应还原。在求解结构力响应时,结构被视作无支持、两端自由的无质量梁,将其所受外载荷按沿结构纵向分布是否已知划分为2类。对于已知分布的外载荷,直接对其进行积分即可获得结构力分布;对于未知分布的外载荷,使用改进后的三次曲线插值法求解结构力分布。计算定点货物移动和飞机降落工况下的水弹性响应。采用DMB方法可准确计算结构位移响应,也可给出非稳态加载过程中初始阶段的弯矩分布,并体现由集中力作用引起的弯矩突变。

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。

砌体轴心和局部受压离散元仿真在教学中的应用

砌体是块体和砂浆的黏结组合材料,为了让学生更好地理解砖块体和砂浆对外力的分担作用,运用离散元方法建立了砖块体团簇模型、砂浆团簇模型,进而“砌筑”了普通砖砌体数值试件,对砖砌体分别开展轴心受压和局部受压仿真。仿真复现了砌体受压时的应力-应变关系和破坏模式,应力峰值处伴随大量砖颗粒-砖颗粒胶结接触破坏。砌体应力主要由胶结接触承担,其中砖-砖胶结接触>砖-砂浆胶结接触>砂浆-砂浆胶结接触,砂浆主要起到连接块体的作用;法向接触力承力大于切向接触力。通过仿真教学,有助于学生建立砌体宏观力学表现受控于微观结构和微观力学的认知,加深了学生对砌体受力机理和强度的理解。

糯米浆灰土无侧限压缩和三轴剪切离散元分析

糯米浆灰土是一种常见的遗址保护建筑材料,为研究糯米浆灰土压缩加载过程中的糯米-石灰胶结破坏和接触组构演化情况,采用离散单元法开展了糯米浆灰土无侧限压缩和三轴剪切离散元模拟。首先基于软胶结模型考虑糯米浆-石灰的强度特征,制备了糯米浆灰土离散元试样;然后通过参数敏感性分析为试样赋予合理的接触模型等效模量和胶结强度参数,最后对试样开展无侧限和三轴压缩模拟。结果表明:离散元模拟能再现糯米浆灰土加载试验的主要特征;加载过程中胶结破坏数量先缓后快增加,最终趋于平缓,胶结破坏呈现一定的聚集效应;无侧限压缩下胶结接触主要发生拉伸破坏,随着围压增加,剪切破坏接触数量增加;试样偏组构快速增加段为胶结破坏诱发。

干湿循环作用下堆石料宏细观力学特性的离散元模拟研究

堆石料的物理力学特性在干湿循环作用下会发生明显劣化。基于堆石料颗粒三维扫描结果,建立了宽粒径范围的堆石料颗粒模板库。考虑干湿循环对颗粒强度、颗粒间接触模量和摩擦系数的影响,提出了一种考虑堆石颗粒干湿循环劣化的颗粒破碎模拟方案。在此基础上,采用FDM-DEM耦合方法对不同干湿循环作用下的堆石料试样进行一系列三轴压缩试验,讨论了在三轴压缩条件下干湿循环对堆石料宏细观力学特性的影响规律。结果表明:堆石料的初始模量和峰值强度随着干湿循环次数N的增加而呈非线性降低,干湿循环对体变曲线在初始阶段的剪缩和加载后期的剪胀有抑制作用,当N增大至某一值时,干湿循环对堆石料的宏观变形和强度的影响逐渐不明显。干湿循环次数越大,试样内部平均配位数越大,接触滑移比越大,试样内部的偏组构呈非线性减小,即各向异性程度在逐渐减小,这说明干湿循环对试样内部的各向异性发展有抑制作用。

基于离散元法的SLM刮刀倾角对粉末铺展行为的影响研究

刮刀倾角对选区激光熔化过程粉末铺展行为有重要影响.基于离散元法建立铺粉数值模型,对不同刮刀倾角的铺粉过程及粉层质量进行模拟研究.针对不同的刮刀倾角,提出一个量化指标对粉层铺展的致密度和均匀性进行综合评估,获得刮刀倾角对粉层质量的影响规律.根据颗粒分布及运动特征将粉堆颗粒体系划分为底层区、斜坡区、刮刀影响区和内部区4个区域.针对各区域进行铺粉过程动力学机理的深入研究,包括颗粒运动轨迹和速度场、刮刀前方剪切带、颗粒间力链分布及演化等.研究发现:刮刀倾角小于0时,颗粒体系难以形成完整的环流运动,剪切带较小,流向沉积层的颗粒较少,颗粒间强力链较少,刮刀间隙前方易形成力拱导致颗粒堵塞,进而形成空斑使得沉积层的致密度和均匀性较低.刮刀倾角大于0时,颗粒体系的环流运动较充分,剪切带较大,流向沉积层的颗粒增多,随倾角增大强力链增多,刮刀压实作用增强,有利于沉积层致密度和均匀性的提高.本研究为优化工艺参数、提高粉层沉积质量提供了理论基础.

砖石古塔模型振动台试验的离散元模拟分析

砖石古塔块体间黏结强度较低,受地震作用易产生裂缝后发生破坏,为研究砖石古塔在地震作用下开裂及裂缝发展机制,以玄奘塔1/8缩尺模型结构为对象,建立离散元模型,计算了地震波激励下结构的加速度及位移反应,与振动台试验结果进行对比,分析了塔体开裂破坏全过程。结果表明,数值计算所得结构的加速度及位移反应与振动台试验结果一致,当地震烈度较低时,两者顶层位移变化曲线基本一致;烈度提高后,塔体开裂导致结构动力响应的计算值与试验结果出现差异,但两者的变化规律相同。在地震波激励下,塔体首层先开裂,随地震烈度的提高延伸至中部塔层,块体第2层出现阶梯状错动,模型损伤过程与试验裂缝发展状况基本吻合。研究结果为砖石古塔地震损伤及破坏过程分析提供了参考。

非饱和黄土侧限压缩和湿陷试验的宏微观离散元特性分析

为了深入探讨非饱和黄土在侧限压缩和快速增湿作用下的宏微观特性,本文采用颗粒流方法对黄土的力学特性开展了3维离散元仿真模拟分析。采用软胶结模型模拟了颗粒间的化学胶结作用,并考虑了颗粒间的范德华力和毛细力作用,着重分析了微观参数的变化规律。结果表明:软胶结接触模型能够准确地复现非饱和黄土侧限压缩和快速增湿试验中的力学响应行为。微观力学配位数随着竖向压力的增加而不断加速增长,同时颗粒间接触力与接触力矩均随含水率的增加呈现逐渐减小的趋势,而对于饱和试样则出现增长的情况。颗粒间的剪切破坏和拉破坏随着竖向压力的增加而逐渐增加,在大约100kPa达到最大值。随着含水率的增加,剪切破坏逐渐占据主导;此外,随着竖向压力的逐渐增加,应变能、滑动耗能与阻尼耗能逐渐增加,应变能数值远大于滑动耗能与阻尼耗能;应变能的增速随着竖向压力的增加逐渐加快,直至200kPa附近达到最大,含水率越大应变能终值越低;滑动耗能与阻尼耗能的终值均在小范围内波动。

基于扩展多面体组合单元的非规则颗粒材料离散元方法

非规则颗粒材料广泛地存在于自然界和工业生产中,其复杂的几何形态对力学性质有显著的影响.为构建更接近真实颗粒形态的理论模型,以扩展多面体为基本单元,发展了扩展多面体组合单元.为验证扩展多面体组合单元的可靠性,分别对凸形三棱柱单元、凹形正倒锥体单元在平底漏斗中的卸料过程进行了离散元模拟,并与试验结果进行比较分析,得到其具有较好的一致性.在此基础上,对不同形态的组合单元进行堆积和卸料离散元模拟,研究了颗粒形状对堆积分数、卸料流量和休止角的影响.结果表明,颗粒形状越复杂,颗粒之间的互锁效应越显著,颗粒系统更加稳定.扩展多面体组合单元的有效应用,为离散元数值模拟描述任意形态颗粒材料提供了一种新的构建方法.

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。