基于连续介质力学离散元方法的洒勒山滑坡过程模拟

利用连续介质力学的离散元方法力学计算软件中的颗粒流离散元计算程序,结合野外踏勘与室内试验得到的数据,对洒勒山高速远程滑坡过程进行模拟,研究由蠕变导致的下部老滑坡复活并带动上部滑体滑动的滑坡整体运动过程.模拟后得到的滑坡物堆积形态与实际情况基本吻合,对上下部滑体及监测点的位移、速度、加速度进行分析,结果表明:上部滑体运动最大速度较大,可达35 m/s,下部滑体运动距离较远,长达800 m.滑动过程中在撞击面附近与下部滑体前段均存在颗粒抛射现象.下部滑体撞击后的滑动呈显著的流体特征.整个滑动过程可以分为5个阶段:下部启动,下部加速剧滑-上部启动,下部匀速滑移-上部剧滑,上部撞击减速-下部再加速,总体减速自稳阶段.上下部滑体碰撞导致的能量传递是洒勒山滑坡可以高速远程运动的重要原因之一.

基于连续介质模型的离散元方法中弹簧性质研究

地质体材料的破坏演化过程是地质灾害防治工程中亟待解决的关键科学问题,也是力学的前沿课题。基于连续模型的离散元方法是研究该问题的一种数值方法。用求矩阵特征值的方法,推导基于连续介质模型的离散元方法中三维有限元刚度矩阵转化为离散元弹簧刚度的解析表达式,给出了不同条件下离散元弹簧的取法。研究立方体八节点单元中离散元弹簧的性质,得到棱弹簧、面对角线弹簧以及体对角线弹簧的刚度和方向表达式,给出这些弹簧刚度以及方向与泊松比的关系图。最后,将基于连续介质模型的离散元方法模型与Gusev模型、二维链网模型进行比较。对于泊松比为0.25时的平面应变问题,对于泊松比为1/3时的平面应力问题,基于连续介质模型的离散元方法模型与二维链网模型一致。在块体内部,基于连续介质模型的离散元方法模型与Gusev模型一致。且基于连续介质模型的离散元方法模型能模拟链网模型和Gusev模型都不能模拟边界单元,证明基于连续介质模型的离散元方法模型更具普遍性。

基于Rosin-Rammler的离散元扩大头抗浮锚杆抗拔力学特性影响研究

目前,抗浮锚固技术已被广泛应用于工程建设中。然而,学界对扩大头抗浮锚杆与不同级配土体相互作用的力学机制的研究尚不充分。因此,文章针对扩大头抗浮锚杆与土体级配的相互作用展开了研究。首先通过Rosin-Rammler函数构建级配曲线,并以曲线形状参数m值表征土体颗粒的不均匀性,然后进行拉拔数值模拟。结果表明,在拉拔过程中,m值越大,土体颗粒越不均匀,并且拉拔承载力随着m值的增大而减小。同时,速度传递区域由类锥形转为类矩形分布,接触力链由粗支网状转为细支网状。

离散元法在岩土工程中的应用与研究

岩土工程中存在着很多问题,例如土的非线性行为、渗流问题、土的液化等问题。这些问题难以通过传统的连续模型进行描述和分析,因此需要引入离散元方法来解决这些问题。离散元方法是一种用于分析结构、流体、声波等物理系统的数值模拟方法,在岩土工程中得到了广泛应用。本篇综述了离散元方法在岩土工程中的应用与研究现状,探讨了其在解决复杂岩土工程问题中的优势和局限性。通过对现有文献的总结和分析,本篇指出了目前研究的热点和未来可能的研究方向。

基于离散元法的应变传感器与沥青混合料交互影响研究

为了提高传感器应变响应监测的可靠性和工作寿命,从细观力学角度开展了应变传感器与沥青混合料交互影响研究。基于离散元法,采用三维颗粒流程序,构建了内置应变传感器的沥青混合料试件模型,通过四点弯曲仿真试验分析了应变传感器与沥青混合料协同受力下,结构内部应力传递、力链分布和细观裂纹发展演化的规律。研究结果表明,通过监测配位数验证了PFC模型具有较高的可靠性和仿真度;埋置应变传感器降低了2.7%的基体结构强度,使最大拉应力由跨中梁底转移至应变传感器法兰位置处,并在应变传感器周边形成了应力集中效应,造成沥青混合料力学性能降低;应变传感器与沥青混合料协同受力下,结构内部拉伸裂纹表现出“快速增加、先增加后降低”的变化特征,拉伸裂纹占总裂纹的72.9%;“拉伸为主、拉-剪共存”是结构损伤破坏的发展形式。

基于离散元法的TBM滚刀动态响应研究

在TBM施工过程中滚刀是实现破岩功能的关键部件,极端环境极易引起滚刀的剧烈振动,滚刀长期处于剧烈振动状态会产生开裂、失效等问题。文章以TBM滚刀为研究对象,建立滚刀法向振动模型,通过离散元平台建立滚刀-围岩仿真模型,并以线切割实验进行验证,误差值为8.99%。利用多体动力学软件对TBM滚刀模型进行动力学仿真,研究不同参数对滚刀动态响应的影响。结果表明:滚刀加速度均方根值随切深的增加而变大,最大值为15.6593 m/s^(2);随转速的减小而增大,最大值为14.7501 m/s^(2);同时随刀间距的增大而先变大后变小,最大值为13.4266 m/s^(2)。研究结果对滚刀振动限值具有参考价值。

基于连续介质模型的隧道衬砌结构可靠性研究

基于连续介质力学模型,提出了一种简单易行的可靠性分析方法,该方法能利用现行通用的有限元程序,能得到显式的功能函数,但又不同于响应面法。以公路隧道圆形隧洞的开挖支护为例,采用此方法将围岩参数 c(黏聚力)、E,φ和二次衬砌厚度 D 作为随机变量,采用有限元程序得到单一变量变化下的衬砌轴应力值,进而拟合出衬砌轴应力关于单一随机变量的关系式,并通过多元线性或非线性回归得到衬砌轴应力关于所有随机变量的显示表达式,再对圆形隧洞的衬砌结构进行了敏感性和可靠性分析,得到了一些有意义的结论。

平面弹性力学问题的离散元法

根据离散元的基本原理,基于变形体的理论提出了适用于平面弹性力学问题的界面位移、应变和应力模式,建立了求解平面弹性力学问题的离散元方程和相应的迭代求解方法.通过界面位移可以简洁地将位移和力的边界条件引入离散系统的控制方程,也可以方便地求解节点位移.数值算例表明,与具有相同网格的有限元结果相比,离散元能同时给出精度相对较高的应力解和精度相当的位移解.

基于X-ray CT和离散元法级配离析对沥青混合料骨架结构力学性能的影响

为从细观角度探究分析级配离析对沥青混合料骨架结构力学性能的影响,基于X-ray CT断层图像扫描技术和离散元法建立三维混合料骨架模型,对不同级配离析情况下的混合料骨架内部受力情况、抵抗荷载性能、应力传递性能等方面进行了对比和研究。结果表明:提出了利用X-ray CT断层图像扫描技术构建更接近于真实形态的集料颗粒模型的方法;骨架结构中较粗集料承受了主要的外力荷载作用;以典型的SMA-16级配为例,4.75~9.5 mm档集料是构成该级配集料骨架的关键粒径;骨架结构中细集料的增多有助于提高骨架的抗压强度,发生粗集料离析时,抗压强度将随着离析程度的加剧而显著地降低;不同的级配离析状态对混合料骨架结构的竖向与横向应力传递性能产生不同影响,其中细集料离析对应力传递性能的影响更大。

脆性无序介质损伤破坏过程的离散元法动态模拟

应用最近发展的基于准分子动力学无网格的物理模拟方法———离散元法DM2对速度边界控制条件下脆性无序介质的破坏过程进行了动态模拟,与其它方法对比,在破坏形式方面吻合较好,从而初步验证了该方法用于模拟脆性无序介质动态破坏过程的可行性.

基于离散元法的茶园松土装置结构的优化与仿真试验

针对目前大多数茶园松土装置使用的旋耕刀区域针对性不强,不适用于南方山地丘陵地形,耕作效果不佳、耗能大、土壤保墒能力差等问题,应用离散元法对旋耕刀的工作过程进行动力学仿真和结构优化.以福建山地茶园土壤为试验样本,采用Hertz-Mindlin with Bonding模型作为土壤颗粒间的接触模型;以弯刀的正切面折弯角、弯曲半径和单刀切削幅宽为试验因素,设计三因素六水平的均匀试验,进行旋耕刀—土壤动力学仿真试验,以旋耕转轴扭矩和土壤扰动系数为评价指标.仿真试验结果表明,在折弯角128°、弯曲半径20 mm、单刀切削幅宽36 mm条件下,转轴扭矩值和土壤扰动系数都较小.

基于细观试验和离散元法的盐岩力学特性

当前盐岩的宏观力学模型通常是唯象模型,不能很好地解释盐岩受力变形破坏的真正物理基础。盐岩是由于化学沉积而形成的矿物集合体,是一种主要由NaCl和少量杂质组成的多晶体,其变形机制主要由晶粒与晶界的力学特性控制。通过扫描电镜(SEM),获得盐岩晶粒的微细观结构特征,采用分子动力学方法和纳米压痕技术,确定盐岩晶粒和晶界的微细观力学参数;将盐岩晶粒作为块体,基于Voronoi多边形技术,建立盐岩的微细观数值模型;利用离散元方法,对盐岩试件在单轴压缩和直剪条件下的宏观力学行为进行了数值模拟。数值模拟结果与宏观力学试验结果吻合度高,表明基于盐岩微细观晶粒结构特征并结合离散元数值模拟的方法能够较好地研究盐岩的宏观力学性能及其材料物理基础。

基于计算流体动力学与离散元法的离心泵内流场及磨损的数值模拟

利用离散单元法与流体动力学耦合的方法研究了不同入口流速(0.6、1.2、1.7 m/s)和额定转速(2650、2800、3000 r/min)下单级离心泵内部流场变化、磨损部位、磨损量、输送能力。结果表明:离心泵叶轮叶片尾部易发生空化现象,入口流速对叶片空化现象、出水管道滞留区域产生的影响大于转速的;9种工况下离心泵最大磨损量出现在叶片尾部,转速从2650 r/min变化为3000 r/min时,磨损最严重的部位由叶片1、4尾部变为叶片1、2尾部,叶轮叶片为离心泵磨损最严重的部件,占离心泵总磨损量的38.10%~49.41%;离心泵内沙粒平均停留时间表明,流速对离心泵输送性能的影响大于转速的,入口流速0.6m/s、1.2m/s、1.7m/s下沙粒平均停留时间分别为0.144、0.068、0.052 s,说明随着流速的增加,离心泵输送性能增强。

管件内壁磁粒研磨时的磨粒动力学行为仿真及分析

为探究磁性磨粒在管件研磨过程中的动力学行为,对其研磨过程进行离散元仿真,并分析其运动轨迹和磨削力随管件转速和加工间隙的变化;通过单磨粒球运动及磁粒研磨试验,验证磁场力模型的准确性与粒子运动学行为可视化的可行性。结果表明:随管件转速提高,磁性磨粒在离心力作用下向加工区域外运动,且加工间隙越大越容易被“甩飞”;在达到临界转速之前,随管件转速提高,磨削力减小,材料去除效率提升。当管件转速由400 r/min提高至临界转速,加工间隙为2 mm和4 mm时,磨削力分别下降5.4μN和2.3μN,材料去除效率明显提升;当加工间隙为6 mm时,磨削力变化较小,且当转速大于临界转速650 r/min时,材料去除效率下降。同时,材料去除量在达到临界转速之前随管件转速提高而增大,但加工间隙的增大会使临界转速降低;且材料去除量的变化趋势与仿真结果一致,验证了仿真分析的可靠性。

离散元与虚拟现实相融合的土力学实验数值仿真研究

为满足“新工科”人才能力需求,提升学生理论知识、实践与创新能力,从土力学实验的现状出发,梳理现实实验中的不足,提出改革的需求与达成目标。将基于颗粒力学模型的离散元数值技术引入土力学的理论与实验中,实现学生对土体在微观结构的不连续与宏观连续性的全方位理解,提升学生数值模拟水平。通过土力学实验的实体演练,结合线上虚拟仿真实验的自主训练,突破现实实验条件的制约,大幅提升学生动手实践能力。土力学实验的测试结果为离散元数值模拟提供必要的参数支撑,而数值仿真也可补充实验的不足。实验科学与计算科学相辅相成,相互印证,能够有效地深化学生的理论认知,激发学生创新与解决实际工程问题的能力。

基于离散元法的聚氨酯固化道床力学特性

提出了一种基于黏接力链单元的聚氨酯固化道床数值仿真分析方法,并在此基础上对聚氨酯固化道床与普通散体碎石道床在循环荷载作用下的力学性能进行了对比分析.结果表明,聚氨酯固化道床能够通过减小道床残余变形、改善道砟颗粒间接触状态的方式起到延缓道床累积沉降的目的;聚氨酯材料在延缓道床累积沉降的同时,也会导致轨枕的动位移增大.

磁粒研磨中磁性磨料的动力学行为仿真研究

为了探究磁粒研磨中磁性磨料的最佳动力学参数,利用有限元软件ANSYS Maxwell结合离散元软件EDEM,对磁粒研磨加工过程进行动态仿真。首先进行微观参数标定,得到了磁性磨粒离散元仿真所需的参数,最终确定滑动摩擦系数为0.9、滚动摩擦系数为0.109为最优的参数组合。在此参数基础上,对磁粒研磨加工过程进行动态仿真。结果表明:在其他条件一定的情况下,磁场转速越高,单位时间内磁性磨粒与管件表面之间的作用次数越高,加工效率越高。通过加工实验,得到了在不同加工参数下表面粗糙度数据。模拟仿真结果与实验结果的变化趋势具有一致性,验证了利用数值分析的手段对磁粒研磨加工过程进行理论分析的可行性。

离散元法研究的评述

介绍了离散元法的基本理论、计算方法及其应用的现状和最新进展.从离散元法的离散模型特点及便于甄别与其它数值计算方法的关系的角度给予离散元法一个比较宽松的定义.在此基础上阐明了离散元方法与刚体-弹簧模型(rigid body spring model,RBSM)方法,不连续变形分析(discontinuous deformation analysis,DDA)方法,分子动力学(molecular dynamics,MD)方法,三维离散元(discrete meso-element dynamic method,DM2)方法及无网格方法(meshless method)等数值计算方法的关系,并讨论了离散元法研究中亟待解决的问题和今后的发展方向.

颗粒离散元法研究进展

回顾了颗粒离散元法(DEM)的发展过程.综述了该方法的理论和各种颗粒作用模型,包括各种实用的干颗粒DEM模型和研究中的湿颗粒建模的进展;介绍了国内外颗粒离散元法模拟的成就以及离散元法与其他数值方法结合的扩展性研究的进展.最后指出了存在的问题,并对发展动向进行了预测.

基于离散元法的贯入圆锥对沙土颗粒运动特性分析

为了预测土壤颗粒在圆锥指数仪贯入沙土过程中的运动特性,该文通过建立一个三维长方体料床模型用离散元法模拟了圆锥贯入沙土的全过程,讨论了料床指定初始位置上颗粒的运动轨迹,还将料床的位移场按照位移量大小分成4个区,分析了料床的横向、纵向以及合成的位移场,最后给出了不同贯入深度的料床速度场及力链分布规律。研究结果显示:受到圆锥向下贯入和左右壁面阻挡的共同作用,大多数颗粒在圆锥贯入过程中以纵向移动为主,横向上体现为近似线性梯度的受限扩散式移动,尤以锥尖附近的横向位移最明显;颗粒在纵向上均经历了先向下运动再向上运动的过程,在圆锥贯入过程中料床的纵向位移场,作为向上和向下位移区的分界线,一条"衣领"带状区域的颗粒近似静止;越靠近锥尖附近的颗粒接触力和速度越大,且随着贯入深度的增加,锥尖处的接触力增大。该文的研究为土壤圆锥指数实地测量时测量点间距的取值提供理论依据。