基于颗粒抗转动模型的刚性挡墙被动土压力临界状态离散元分析

简要介绍了颗粒抗转动模型,并将其引入离散元程序中,通过建立挡墙地基模型和合理选取模型参数,分别考虑了地基填土不同密实度和挡墙不同位移模式(被动T模式、RB模式、RT模式)情况下,刚性挡墙被动土压力随挡墙位移增长发展到达临界状态时,土压力系数hk随位移发展的变化规律及墙后填土剪切带的形成规律,并与其他学者的研究成果进行对比分析。研究结果表明,土压力系数hk随着挡墙位移增长的变化规律与填土的孔隙比(或相对密实度)和挡墙的位移模式紧密相关。随着孔隙比的减小或相对密实度的增大,土压力系数hk会逐渐由位移硬化特性过渡为位移软化特性。尽管中密试样在双轴压缩试验中呈现出应变软化特性,而中密样的土压力系数hk随着挡墙平动位移的增长可能呈现出位移软化特性,也可能呈现位移硬化特性。随着刚性挡墙向墙后土体推移,试样中的剪应变随之增大,并会在墙后形成应变局部化,即剪切带的出现。与室内试验剪应变云图相似,离散元较好地模拟了土压力临界状态时剪切带分布规律。同时,墙后土体表面不再是光滑的平面,而是逐渐隆起的凹凸面;随着挡墙位移增长,土体表面隆起量越来越大,直至土体破坏。

三枕捣固作业过程中道砟细观运动及能量演变分析

使用大型捣固车对有砟轨道进行作业,是改善道床质量状态最有效方法和通用手段,是保障列车安全运营的必然选择。但我国大型养路机械源于引进国外技术,对捣固车捣固作业机理认识不足,无法进行科学养护维修。为加深对目前铁路养修作业中常用DWL-48捣固稳定车的三枕捣固装置作业过程的认识,该文借助离散元与多体动力学协同仿真分析方法,建立了三枕捣固装置-轨排-有砟道床三维空间精细化耦合仿真模型,并结合现场实测结果验证了模型的正确性,分析了捣固作业动态过程中道砟颗粒平动、转动特性及能量演变规律。研究结果表明:捣镐对道砟颗粒平动、转动和能量的影响主要位于枕下0 mm~175 mm区域;道砟颗粒速度与角速度变化规律具有很好的同步性,有助于快速填充枕下空隙。捣固作业过程中捣镐采用“道砟平动为主,转动为辅”的方式填充枕下空隙,并且在该过程中伴随着道砟颗粒平动动能、旋转动能逐渐向道砟颗粒势能的不断演变。

颗粒破碎的微观力学模拟

基于颗粒尺度建立了考虑颗粒破碎过程中能量耗散的微观力学模型。为了模拟颗粒体的破碎过程和侧向应力的影响,把胶结在一起的三个等粒径的颗粒体当作颗粒破碎体。基于颗粒破碎准则和热力学原理,考虑了颗粒破碎过程中颗粒接触点之间的塑性滑移和颗粒转动以及侧向应力作用,通过颗粒破碎体内部颗粒之间的接触破碎来模拟颗粒体的破碎。计算结果表明:本文所提出的微观力学模型可以模拟胶结在一起的大颗粒的破碎过程;颗粒之间的微观力学参数对颗粒破碎过程中的力、塑性滑移、颗粒的转动角有不同程度的影响;力-位移关系曲线在破碎前是线性的,而颗粒破碎时竖向力迅速降低到较小值,并伴有颗粒的转动。

考虑土颗粒微细观运动的多尺度耦合有限元分析方法

土体是一种多相碎散性颗粒材料,具有显著的非均匀非连续力学特性。建立在单一宏观尺度上的经典弹塑性有限元法忽略了土体微细观尺度上的控制机制,不能模拟和预测土体跨尺度层次演化的变形-破坏过程。为研究土体微细观尺度上的物理细节和运动特征对宏观力学响应的影响规律,基于多尺度分层次的土体胞元模型,建立考虑土颗粒转动自由度的多尺度耦合颗粒微转动理论,并编制相应的颗粒微转动理论多尺度耦合有限元程序,对地基塑性区的开展深度进行模拟和预测。结果表明:颗粒微转动理论能有效地实现土颗粒微细观运动细节与土体宏观力学响应的跨尺度耦合关联,且可有效地克服经典有限元法的病态网格依赖性问题;土颗粒的转动位移主要集中在地基塑性区范围内,颗粒转动位移最大值为4°;地基塑性区的开展深度随地基土的颗粒粒径和弹性模量的增加而增大。地基塑性区跨尺度演化的微细观物理机制可解释为:土颗粒的微观转动削弱了颗粒之间应变的传递能力,进而形成塑性应变的集中和发展,最终导致地基的塑性区贯通而发生破坏。

不同煤灰脏污程度下道砟宏观强度及细观颗粒转动特性分析

道砟脏污易诱发有砟道床翻浆冒泥和差异沉降等病害,进而危及列车的平稳和安全运行。针对此工程难题,采用脏污指数(FI)配制不同煤灰脏污程度的道砟试样,开展室内大型单调加载三轴压缩试验,由试样内部不同位置处埋设的无线智能颗粒传感器(SmartRock)实时采集颗粒细观转动数据,分析不同煤灰脏污程度下道砟试样宏观剪切强度的变化规律及其与颗粒细观运动的关联机制。研究结果表明,煤灰脏污程度的增加在宏观上导致试样从应变硬化逐步过渡到应变软化;FI值为10%~15%时,试样峰值偏应力及似黏聚力值均最小;三轴试样内部道砟颗粒的转动主要表现为竖直面内的翻转,且清洁道砟试样内部颗粒在竖直面内的翻转随其距试样底部高度的下降而逐渐减弱,试样侧边缘对道砟颗粒运动的约束作用逐渐增强;当FI值达15%时,试样内部道砟颗粒的翻转无明显规律,或因颗粒间的传力骨架已逐渐被破坏;然而当FI值>15%时,试样内部道砟颗粒间的翻转运动差异性明显增大,致其力学稳定性降低;道砟颗粒转动的均匀性在一定程度上决定了其宏观强度性能,并可用于预估煤灰脏污程度。该研究成果或可为有砟道床煤灰脏污程度无损评定、清筛周期优化及智能养维提供理论依据和技术参考。

非球形颗粒两相流的数值模拟研究进展

非球形颗粒两相流是多相流的重要研究方向之一,常见于自然界及工业生产过程中.不同于球形颗粒,由于非球形颗粒形状的各向异性,除了颗粒平动行为,还需要考虑颗粒的转动与取向行为,颗粒的取向与转动行为会影响颗粒所受的力和力矩.为了准确模拟非球形颗粒的运动行为,目前非球形颗粒两相流的数值模拟研究主要基于欧拉-拉格朗日的求解框架展开,常见的非球形颗粒两相流数值模拟方法主要包括点颗粒法与全分辨颗粒法.本文将对这两类方法进行介绍,同时会全面介绍非球形颗粒两相流研究的基础理论模型,并系统总结非球形颗粒在简单基本流和复杂湍流中的研究进展,包括对于非球形颗粒在湍流中的取向与转动行为机理,以及颗粒对湍流减阻调制作用的研究.最后,本文提出了非球形颗粒两相流研究存在的问题及未来研究方向.

基于PFC3D的粗粒土三轴试验细观参数敏感性分析

以PFC3D为工具,以室内三轴固结排水试验作为基础,以加权平均数颗粒生成法建模.选择孔隙度、配位数、kn/ks、颗粒粒径分布、剪切速率和摩擦系数等细观参数作为研究内容,以应力应变强度曲线为力学分析方法,以颗粒转动速度场为变形分析手段,将各细观参数对粗粒强度的敏感性进行排序,对粗粒土剪切破坏的影响程度进行总结分析.研究表明,各细观参数对粗粒土强度及变形都有一定的影响,其中kn/ks对粗粒土强度及变形影响最大,孔隙度和配位数的影响最小.

基于PFC^(3D)的加权平均数建模法在三轴数值试验中的应用

基于室内三轴试验研究成果,以PFC^(3D)为工具建立三维颗粒流模型,开展三轴数值试验研究.针对大型三轴数值试验大范围粒径颗粒生成困难问题,提出了加权平均数数值建模方法,并以转动颗粒场分析手段为依据进行局部裂隙细观分析.研究表明,加权平均数数值建模法得到的颗粒级配与室内试验颗粒级配及三轴试验结果吻合度都较好,此法有利于提高计算效率;转动颗粒场有利于三维立体模型剪切面的细观分析,将其与颗粒位移场相结合进行细观分析能更好的揭示粗粒土宏观力学及变形特性的内在机制.