基于PFC模拟的饱和粉砂强度折减范围研究

为验证基于颗粒流程序(particle flow code,PFC)模拟的饱和粉砂土体变形和破坏状态下土力学参数与孔隙度的关系,以呼和浩特市地铁2号线公主府站至呼和浩特站盾构区间前期钻探土样为研究基础,对饱和粉砂进行一系列密度梯度的三轴不固结不排水室内试验,根据换算公式将密度指标转化为孔隙度指标,对孔隙度与内摩擦角之间的关系式以及孔隙度、围压与变形模量之间的定量关系式进行拟合。通过离散元法进行三轴数值模拟试验,监测试件在压剪过程中孔隙度随试件变形的变化规律,从而确定饱和粉砂在弹塑性变形阶段和破坏阶段土体孔隙度与变形模量及内摩擦角之间的关系。结果表明,土体强度随密度的增加而增加,基本呈现线性增加的规律。将孔隙度随土体应变变化的曲线对应到内摩擦角随孔隙度变化的拟合曲线中,可以得到饱和粉砂不同阶段土力学参数的取值范围,明确土体强度折减范围。通过PFC模拟曲线确定不同阶段对应的区段,为完善饱和粉砂强度折减规律分析提供了新的方法。

PFC3D颗粒流模拟纳米黏土改良黄土三轴试验

基于PFC3D软件研究不同纳米材料、掺量、围压、干密度对改良黄土力学性能的影响,确定改良黄土宏细观之间的参数关系,通过建立改良黄土数值模型、三轴试验,获得了改良黄土的应力–应变曲线。将数值模拟的结果与室内试验的结果相比较,通过数值模拟和室内三轴试验,得出的改良黄土抗剪强度指标基本吻合。试验结果表明:(1)围压一定时,改良黄土试样偏应力随纳米黏土掺量的增加而增大;改良黄土的应力与应变正相关,不同围压时,表现为软化型和强硬化型;(2)当凹凸棒土掺量小于2%时,数值模拟得到的抗剪强度总体小于室内试验得到的抗剪强度,材料大于2%时则相反;(3)纳米蒙脱土改良黄土数值试样材料掺量小于等于4%时,数值模拟得到的抗剪强度大于室内试验的抗剪强度,大于4%则相反。

基于PFC砂柱的三轴压缩破坏模拟

文章介绍了PFC软件及离散单元法的基本概念以及核心思想。利用PFC三轴压缩实验分析模拟了不同颗粒级配、不同弹性模量下砂柱的三轴压缩破坏过程,得到了砂柱的破坏特征、强度与影响因素的相关性,为砂土的压缩特性研究提供了参考依据。

基于PFC3D的煤堆自燃过程模拟与实现

为了解煤堆自燃过程中的温度场变化、能量迁移和氧气流动情况,基于煤堆的颗粒特性以PFC3D为模拟平台,借助其热力耦合模型,模拟了煤堆的自燃氧化过程,及该过程中的温度场变化和能量迁移;使用极小颗粒模拟氧气的流动及其与煤的反应,并通过FISH实现该过程。结果表明:随模拟时间延长,温度场高温区向煤堆坡面边界水平移动;能量迁移主要发生在靠近低温区的区域,且不同温区交界处迁移最多;高温区移动是由于氧化需氧量的变化、造成对氧的"抽吸"作用而产生的;煤堆内氧颗粒的流动可分为稳定区、杂乱区、微弱区,随着"抽吸"作用的增加,稳定区减小,杂乱区增加,微弱区增加。模拟计算至70 d,煤堆出现大范围高温区域并产生自燃,此时最高温度为362.1 K。

PFC数值模拟方法在岩石力学实验教学中的应用

岩石力学是土木工程、水利工程、地质工程等专业中非常重要的一门课程。通过分析传统岩石力学实验教学手段的局限性,将PFC数值模拟技术融入到岩石力学实验教学中。采用PFC软件模拟了岩石三轴压缩应力—应变全过程曲线和内部裂纹的扩展情况,表明PFC数值模拟技术在岩石力学实验教学中观察岩石破裂机理及其破坏演化过程等方面具有优越性,可弥补传统实验教学手段的不足,提高学生对岩石变形破坏过程的理解,加深学生对岩石破坏机理的认识,激发学生对岩石力学实验的兴趣,培养学生的创新精神。

裂纹损伤混凝土力学性质试验与PFC模拟研究

通过室内试验对恒定倾角(45°)裂纹损伤试件裂纹长度差异对混凝土力学性研究,并结合PFC颗粒流数值模拟软件分析结果裂纹扩展规律,进一步阐述其破坏形态及机理。研究表明:(1)裂纹损伤试件强度随着裂纹长度增大逐渐降低,降低速率先减小后增大;弹性模量随着裂纹长度增大逐渐降低,其中降低速率先增大后减小最后再降低。(2)裂纹长度为10 mm时,试件破坏形态为整体破坏;裂纹长度为20~30 mm时,试件破坏沿着初始裂纹扩展方向破坏,部分沿着初始裂纹反方向破坏,表现出裂纹部分影响破坏形态;裂纹长度≥40 mm,试件完全沿着初始裂纹扩展方向破坏,无反向裂纹产生。

基于PFC3D的粉质黏土三轴压缩破坏过程分析

为从细观角度探究粉质黏土在三轴试验加载过程中变形破坏演变过程,文中通过PFC(Particle Flow Code)3D软件模拟三轴剪切试验过程,从颗粒位移场、强接触组构变化、强接触力分布规律、配位数、黏结断裂等方面对粉质黏土变形破坏的细观演变过程进行分析研究。研究结果表明,试样剪切带随轴向应变增大而变窄,10%轴向应变时试样中部颗粒位移值最大;试验后期配位数相较于前期逐渐均匀化;黏结断裂随轴向应变的增大而呈线性增大,不完美黏结也随之增大,且试验初期没有发生黏结断裂;强接触力分布函数在试验中期显著增大而后期逐渐减小,且服从对数正态分布。研究成果以期为土体研究提供方法与参考。

基于PFC^(3D)的新型球磨机数值模拟研究

为探索能够提高球磨机生产效率和延长球磨机研磨寿命的途径,利用PFC3D程序,建立了传统球磨机与变结构球磨机的离散元模型,针对不同转速、不同衬板高度,对磨介运动进行了仿真与分析,确定了辅助结构–旋转档板的位置。通过模拟实验发现,研磨腔内磨球的下落速度由原来的2m/s,增长到了5m/s左右。有效地提高了磨介的冲击力,避免了传统球磨机需要通过改变研磨介质磨粒的质量和滚筒的直径等参数来提高研磨效率的局限性。

PFC模拟技术在选择旧采区放煤方式中的应用研究

采用理论与模拟相结合的方式对圣华煤业1301工作面进行了研究,通过PFC模拟技术对比分析了单轮顺序放煤与双轮顺序放煤2种放煤方式的放出效果,最终得出采用双轮顺序放煤更加适合1301工作面的生产要求。

裂隙岩体在单轴加载过程中变形、破裂规律的PFC2D数值模拟研究

运用离散元软件PFC2D模拟裂隙岩体,建立一个包含不同倾角、不同组数,宽度5cm、厚度1mm裂隙的10cm×10cm模型,分析单轴加载情况下岩体的变形、破裂规律。结果显示,在单轴加载情况下,随着倾角的增加,岩体的单轴抗压强度出现先减后增的趋势,且裂纹不断增多;随着裂隙的增多,单轴抗压强度逐渐减小。岩体的破裂区集中在裂隙的尖端点部位,以翼裂纹、次生共面裂纹和次生倾斜斜纹为主。通过分析破裂后岩体的颗粒速度分布,从微观层面发现岩体破坏的主要形式及破裂原因。

预制不同位置裂隙岩体在单轴加载过程的PFC2D数值模拟

在岩土工程领域中,岩体的稳定性关系到整个结构工程的安全。通过离散元模拟软件PFC2D模拟含裂隙岩体,建立一个包含不同位置,直径50cm,高100cm圆柱体试件二维模型,裂纹斜长l=30mm,裂纹尺寸为30mm×2mm,分别在模型上部、中间、下部位置设置预制裂隙,分析单轴加载情况下岩体的变形、破裂规律。结果表明:单轴加载时,从岩体内部破裂情况看,破坏形式主要是拉伸破坏,细观上看是由于岩体颗粒速度发生相对错动,从而发生拉伸破坏。岩体的破裂区集中在裂隙的尖端点部位,通过分析岩体的颗粒力链分布,从微观层面发现岩体破坏的主要形式及破裂原因。

基于PFC2D数值模拟的煤体裂隙演化规律研究

为了研究煤体裂隙演化规律,采用理论分析和数值模拟相结合的方法,理论分析了煤体延伸压力、裂隙延伸规律和裂隙延伸压力,得出研究工作面裂隙延伸和扩展以垂直方向位置为主,断层属于正断层类型,然后采用PFC 2D数值模拟,模拟分析了不同动压幅值下煤体裂隙演化规律和不同地应力下煤体裂隙演化规律。研究为煤层卸压增透提供了理论基础。

符合谐波电流标准的两种大功率单相有源PFC

针对单相低压交流电源供电的家用柜机变频空调的谐波电流抑制问题,为了满足IEC61000—3—2:2000和IEC61000—3—12:2005谐波电流限度标准,采用了基于传统乘法器的有源PFC原理设计,并且实现了输入功率高达6kW、输入电流高达27.5A的模拟有源PFC电路和数字有源PFC电路。在简要描述基本原理和硬件电路的基础上给出了实验波形和计算数据,结果表明所设计的大功率PFC电路产生的谐波电流发射均能很好地满足两种谐波电流限度标准,均适合作为大功率有源PFC的可选方案。

成拱工况下仓壁超压弹性波动态模拟分析

基于工程实例,运用PFC离散元模拟改变参数实现成拱;系统分析筒仓卸粮成拱时仓壁超压、弹性波的形成和传播规律。结果表明:卸粮成拱时,由于颗粒出流速度降低,仓壁出现超压;随着筒仓高度的增加,卸粮成拱时仓壁的侧压力降低,超压的增量减小,各深度处超压系数也随之增大;超压波峰随着高度的增加先后出现,超压从拱脚处开始,在仓壁上以波的形式向上传播。模拟结果分析发现,波动在筒仓各深度处出现时间间隔均匀,可以认为超压波动的传播比较均匀,揭示了成拱工况下仓壁超压的形成机理。

模拟月壤颗粒形状特征及其对抗剪强度影响分析

为研究颗粒形状特征对抗剪强度的影响,对模拟月壤颗粒进行体视显微镜扫描拍照,并利用图形处理软件对各粒径组颗粒的形状特征进行量化统计.结果表明:模拟月壤颗粒的主要形状有圆形、类椭圆形、类三角形和类正方形等.利用PFC 3D软件中的"Clump"命令构造出不同形状的模拟月壤颗粒并通过三轴试验数值模型研究其抗剪强度指标值,模拟结果表明:颗粒形状对模拟月壤的抗剪强度指标值有着明显的影响,其中构造出的类椭圆体颗粒试样抗剪强度最大,而规则的球体颗粒试样的抗剪强度最小;当颗粒形状都是类三角体时,凹凸度越大,试样的抗剪强度指标值也越大.

基于改进颗粒簇单元的卸粮宏细观机理模拟

传统PFC模拟卸粮均采用单一ball单元模型,不能准确反映小麦等不规则粮食卸粮过程中的宏细观力学机理。本研究建立了由clump单元和ball单元组成的改进颗粒簇单元,以室内卸粮物理模型试验为基础进行数值计算,并和传统模型的模拟结果进行对比分析。研究表明:(1)在宏观仓壁压力方面,改进颗粒簇单元模拟所得结果与传统ball模型相比,误差降低了17.9%;(2)在颗粒细观结构方面,改进模型的颗粒堆积孔隙率下降了3.07%,而配位数增大了27%,模拟误差降低了3.12%;(3)改进模型接触力数量增加了96.3%,接触力链分布更均匀密集,能清晰反映瞬时拱此消彼长的动态变化。本研究建立的改进颗粒簇单元提高了模拟的准确度,能客观反映卸粮过程的侧压力、颗粒结构、细观力学参数动态变化。

急倾斜特厚煤层水平分层综放效果模拟分析

水平分层综放开采是实现急倾斜特厚煤层安全高效开采的重要手段,由于急倾斜煤层水平分层高度一般较大,顶煤运移规律一般不同于近水平煤层。结合阿刀亥矿急倾斜特厚煤层综放开采工程实践,应用数值模拟软件PFC进行模拟计算,研究了不同采放比和不同放煤步距对顶煤回收率的影响,优化了采煤工艺。

土与结构物半模直剪试验的颗粒流数值模拟

使用自主改造的半模直剪仪进行土与钢板、石板的半模直剪试验,竖向荷载分级施加,分别为50kPa,100kPa,150 kPa,200 kPa。应用颗粒流离散元程序——PFC2D对土与结构物在不同法向应力条件下相互作用的半模直剪试验进行数值模拟,研究土与结构物相互作用时接触面土体变形及剪应力的变化情况。分析得出土与结构物相互作用时,土体会呈现出硬化现象。随着法向应力的增加,土的剪应力会升高。在土与结构物的接触面上,形成了一定厚度的剪切带,说明土与结构物的相互作用并不只局限于接触面,而对接触面以上一定厚度内的土体也有影响,但影响范围不大,约为5倍的粒径。土与结构物相互作用时,结构物的性质对土体剪应力的变化影响不大。

矿岩交界台阶坡面处抛掷效果模拟研究

基于露天金属矿山开采常面临矿体和岩体混合的爆破条件,爆区中常有规模不等的矿岩混合爆区,爆破过程中不可避免地造成破碎矿石和岩石相互混合,导致矿石贫化。对某矿14 m台阶ϕ310 mm大直径深孔逐孔、排间梯段起爆、跨越矿岩交界顺序和有序长延时对孔起爆等工况条件下,台阶深孔在爆炸荷载对矿岩交界处抛掷效果的影响进行数值模拟研究分析。模拟得出:①跨矿岩分界线处的正向抛掷速度及位移较大,侧向因应力叠加抵消导致抛掷运动速度及位移较小,因此边界线处主要为正向移动,同时有效避免矿岩混合现象;跨交界炮孔周围因先行起爆,为孔组创造了瞬时自由面条件,导致破碎岩块颗粒整体既向前方正向抛掷,同时也向侧向抛掷分离,利于矿岩体的抛掷分离;从各监测点特性可以看出,台阶整体垂直高度上,在最小抵抗线处位移及速度最大,依次向两侧递减。②在跨越矿岩交界的同排炮孔有序对孔起爆方式下,对孔组在110~150 ms不同延期时间下的模拟结果表明,随着延期时间的增加,有利于为跨交界炮孔提供充足的抛掷空间,减少矿岩体抛掷过程中的碰撞,使得分离沟槽宽度增加,同时矿岩体爆堆高度相对有所提升。③在混合爆区跨越矿岩交界有序长延时起爆,进行爆破分离技术方案基础上,以爆区内矿(岩)区域中心为起爆点,采用各自区域V型起爆方案,可以实现矿岩石的各自中心堆积,同时也强化了跨矿岩交界处抛掷瞬时自由面效应,更有利于深凹沟槽的产生,充分降低混合爆堆矿石的贫化率。该研究为露天金属矿矿岩分离爆破提供理论依据和实际爆破创造有利条件。

吸力贯入式平板锚旋转特性的离散元数值模拟

采用离散元方法对吸力贯入式平板锚的旋转过程进行了数值模拟。通过对比离心机的试验结果,验证了颗粒离散元模拟的有效性,阐明了锚体旋转特性,分析了锚体旋转过程中锚与土相互作用机理及土体应力场分布情况。研究结果表明:离散元数值模拟结果较大变形有限元更接近于离心机试验结果;吸力贯入式平板锚在旋转过程中的埋深丢失与偏心比e/B的值密切相关,当e/B=1时,旋转过程埋深丢失可以忽略,当e/B较小时,埋深丢失较大;旋转过程中锚的水平位移远小于其竖向位移;锚体在旋转过程中可能与其下方土体发生分离。