月球车与月壤交互作用的离散元-多体动力学耦合建模

目前,对于散体颗粒物质与复杂机械系统的耦合作用研究,面临着跨尺度、计算规模庞大以及非光滑表面的接触检测困难等问题。为了探究月球车与月壤交互作用,首先对颗粒-多体耦合系统动力学建模与接触算法进行研究。分别用离散元方法(discrete element method, DEM)和多体动力学(multibody dynamics, MBD)笛卡尔方法建立了散体球形颗粒和含约束多体系统的动力学模型,并基于Hertz-Mindlin模型计算颗粒与刚体的接触力,在此基础上给出顺序耦合策略,建立了离散元和多体耦合的动力学模型。针对月球车齿状车轮的非光滑表面与颗粒之间接触检测规模庞大的问题,提出了非光滑形状物体的分区域局部检测方法,降低了局部检测的规模。通过对比圆柱体冲击颗粒的试验和仿真结果,验证了离散元-多体耦合模型的准确性。在耦合动力学建模和接触算法研究的基础上,对具有齿状车轮的月球车在月壤上行驶过程进行动力学仿真,研究不同驱动参数下的系统动力学特性以及不同轮胎形状对行驶运动的影响,研究结果表明,交错形轮齿的月球车相较直齿形轮齿前进距离多14%,前进效率较高,该研究对月球车的设计具有理论指导意义。

落石冲击力评定的离散元颗粒流数值模拟

为使落石冲击力评定更合理、有效，以离散元模型（DEM）为理论基础，利用颗粒流（PFC）单元法研究垂直下落条件下落石对结构的冲击力，分析了落石高度、重力及回填土厚度对冲击力的影响规律．将PFC数值模拟结果与其他几种落石冲击力计算方法所得结果进行比较，结果表明：落石冲击力与落石高度及重力均呈明显的线性关系，落石冲击力随落石高度线性变化幅度与落石重力有关，而落石冲击力随落石重力线性变化幅度与回填土厚度有关；回填土厚度为0．6m时的冲击力比无回填土时减小50％～60％，回填土厚度大于2．0m时，缓冲幅度趋于稳定，说明回填土厚度有一个合理范围，超出时，结构总荷载会增大；离散元颗粒流数值模拟方法通过阻尼设置来模拟空气在落石下落过程中产生的作用，使得在评定大体积落石从较高高度下落时产生的冲击力更加合理．

三维模态变形体离散元方法

本文针对小应变、大位移和大转动的块体系统建立了三维模态变形体离散元数值模型(3MDEM)。首先推导了包含块体刚体运动和变形的整体运动和变形方程,同时提出了在小变形条件下,变形块体的运动可以分解为块体刚体运动和变形的叠加,从而分别推导出刚体平移、转动和变形的方程,并用变形模态分解块体的变形模式。和一般的离散元方法相同,本文模型也采用了显式的时步步进求解格式,适用于求解非连续、大变形及动力问题。该模型克服了三维变形体离散元(3DEM)需要对块体内部细分网格导致计算量急剧上升的缺点,具有高效、仿真和可变形的特点。一系列算例表明:本文模型在小变形以及连续介质力学领域可以给出和有限元相媲美的应力和位移结果,而在大变形、大位移的强非线性领域可以给出与3DEM相媲美的计算结果,并具有良好的数值稳定性。

注浆成型螺纹桩桩土接触面机制的离散元模拟

为了揭示新型注浆成型螺纹桩的承载力特性及桩土接触特性,利用二维离散元(DEM)数值分析不同螺纹间距的桩-土接触特性。在既有螺纹桩-土界面的大型直剪试验方案的基础上,建立模拟试验的离散元模型。通过模拟试验的伺服加载机制,实现在接触面法向上施加恒定的压力,然后水平移动接触面底板进行剪切,得到不同螺纹数下剪切位移与剪切应力的关系曲线、孔隙比分布图和力链传力机制。离散元分析表明,存在一个最优的螺纹间距,使接触面的极限抗剪强度最大;螺纹桩桩土接触面周围土体会出现一个拱形的破坏面,该微观机制与室内试验观察一致。

基于刚体动力学-离散元耦合数值方法的复合地层盾构滚刀响应

随着盾构机制造技术的不断进步,隧道工程中使用盾构机的情况愈加普遍。滚刀作为一种优异的掘进刀具,在复合地层盾构机中普遍应用。滚刀在使用过程中处于动态滚动状态,离散多元化的岩土体将导致滚刀的动态状态呈现异常状态,从而导致滚刀和岩土体接触面间存在较大的相对滑动速率。在以往的离散元滚刀模拟中,研究者将滚刀设定为固定转速而未实现滚刀的动态滚动过程。使用刚体动力学(rigid body dynamics,RBD)-离散元(discrete element method,DEM)耦合的数值模拟方法,实现了在数值模拟中的滚刀动态被动转动,进一步贴近工程实际。以强风化岩为破岩对象,模拟分析了不同贯入度、不同运动速度下的滚刀的动态运动过程。基于初步研究分析发现:滚刀存在最优贯入度区间,低于该区间时滚刀不能进入动态转动状态,大于该区间时改善效果不明显且增大滚刀受力;滚刀启动时受到的扭矩先随滚刀运动而升高,到达某一峰值点附近后开始下降,随后在零值附近波动;滚刀启动峰值扭矩和运动速度正相关;滚刀达到峰值扭矩的时间和运动速度负相关。研究结果可为盾构刀盘刀具设计及盾构机的操作提供参考。

室内缩尺级配堆石料力学参数的表征单元体积

为了寻找室内缩尺级配堆石料强度和变形参数的表征单元体积(REV),利用离散元方法(DEM)研究试样尺寸对玄武岩堆石料力学行为的影响.通过室内单颗粒破碎试验,分析玄武岩颗粒的破碎特性,确定DEM模拟所需的颗粒破碎强度参数.开展一系列试样尺寸、颗粒排列和围压不同的三轴压缩DEM试验.分析堆石料强度和变形参数随试样尺寸的变化规律,建议了各参数的REV.结果表明,颗粒排列和试样尺寸均会影响堆石料的力学行为.各力学参数的变异系数随着试样尺寸的增大而减小.不同力学参数的REV尺寸不同,为了提高DEM计算效率,可以根据研究对象选择合适的试样尺寸.在模拟工况下,要使所有参数均达到稳定,数值试样尺寸应不小于直径300 mm×高度600 mm.

基于DEM的水平受荷桩受力特性模拟

利用相似原理,建立水平受荷桩模型,对桩-土水平相互作用问题进行三维离散元数值模拟和研究。结果表明三维离散元法在模型重力场与原型重力场等效的条件下,能够较好地模拟桩周土体的细观结构变化与宏观力学之间的关系。

沥青混合料低温劈裂虚拟试验影响因素研究

基于离散元法(discrete element method,DEM)建立沥青混合料二维劈裂(indirect tensile,IDT)试验模型,研究集料模型、集料形状、空隙率,以及加载方位角等因素对混合料低温劈裂虚拟试验结果(劈裂强度和最大水平拉应力)的影响。结果表明:沥青混合料低温虚拟劈裂试验时,集料模型对数值模拟计算效率、内部结构中的接触力链和裂纹扩展路径等有很大影响;实际边界模型较等效椭圆形与等效多边形模型其数值模拟结果变异性较小;空隙率大小对劈裂强度及水平向最大拉应力有显著影响,随空隙率的增大两者均有不同程度的减小;不同加载方位角下的劈裂试验数值模拟结果呈各向异性。

CFD-DEM耦合模拟中拖曳力模型精度

CFD-DEM耦合方法已广泛应用于岩土流固耦合问题分析,其模拟准确性与其中用于处理颗粒-流体相互作用的拖曳力模型密切相关。为了探究拖曳力模型精度的影响因素,采用CFD-DEM耦合方法建立了水中单颗粒沉降数值模型,模拟中考虑了3种典型拖曳力模型以及多种颗粒尺寸,将模拟得到的最终沉降速度与经验公式预测结果进行对比,分析了不同颗粒雷诺数(Re_(p))时3种拖曳力模型(Ergun、Wen和Yu模型,Di Felice模型,Hill和Koch模型)的模拟精度。结果表明,Ergun、Wen和Yu模型以及Di Felice模型的精度均随着Re_(p)的增大而降低,而Hill和Koch模型的精度随着Re_(p)的增大出现先升高后降低的趋势:一般情况下,当Re_(p)≤14以及Re_(p)>72时,3种拖曳力模型的精度从高到低顺序为Ergun、Wen和Yu模型> Di Felice模型> Hill和Koch模型;而当14Hill和Koch模型>Di Felice模型。

基于DEM边坡强度折减分析

基于传统的强度折减理论,探讨了离散元背景下的强度折减理论,并用FLAC软件进行验证。结果表明:采用本文的强度折减方法与传统的强度折减理论得到的边坡安全系数、边坡位移、滑体滑裂面位置和形状基本一致,表明本文的强度折减方法具有一定的合理性与科学性。

基于CFD-DEM阶梯微通道内颗粒流动特性研究

采用离散元方法 (CFD-DEM)对微通道内颗粒流动特性进行了数值模拟。以微通道内随液相流动的颗粒为研究对象,应用欧拉-拉格朗日模型,同时考虑液固两相间耦合作用,模拟建立了二维阶梯状微通道模型,研究通过改变颗粒粒径和体积分数、液相粘度和速度等因素,得到了微通道内颗粒运动轨迹、滞留数目、瞬时速度分布等参数的变化规律。模拟结果显示,颗粒粒径增大,颗粒瞬时速度减小,滞留在通道内的颗粒增多;颗粒体积分数和液相粘度增大时,颗粒速度均先增大后减小,但增大颗粒数量会使滞留颗粒增多,增大液相粘度和密度会使滞留颗粒减少。颗粒的粒径大、数量多会使得颗粒更易沉降在通道底部,堵塞通道。

大过载对固体火箭发动机粒子阻尼的影响

针对大过载条件下(30 g)固体火箭发动机粒子阻尼预估问题,采用离散元法(DEM)对大过载下固体火箭发动机内的粒子阻尼开展了数值模拟研究工作。通过考虑粒子空间分布的粒子阻尼预估方法来计算不均匀分布下的粒子阻尼,进而分析获得了过载下燃烧室内不同直径粒子的空间分布及阻尼特性。研究结果表明:30 g的大过载会显著影响燃烧室内粒子的空间分布及粒子阻尼特性,且不同大小的粒子受影响程度显著不同。横向过载下,燃烧室内粒径大于30μm的粒子在极短的时间内即会在局部区域形成聚集带和真空带。采用与空间分布相关粒子阻尼预估方表征粒子阻尼,发现非均匀分布下粒子的阻尼值比均匀分布时小;在横向大过载下,粒子阻尼的减小(可达30%)发生在极短时间(5 ms)内,且粒径越大的粒子其阻尼减小得越早、越快,这对发动机燃烧的稳定性是十分不利的。

管状带式输送机极限运行倾角分析

为了探索管状带式输送机的提升潜力,运用离散元分析方法(DEM),对管状带式输送机的极限运行倾角进行了分析研究,得出结论:管状带式输送机极限运行倾角接近42°,正常工作运行倾角应小于40°。