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中高应变率下钙质砂单颗粒破碎试验与FDM-DEM数值模拟研究
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作者 张申 《河南科学》 2024年第9期1315-1324,共10页
钙质砂作为岛礁基础设施建设中重要的珊瑚礁岩土材料,常面临飞机起降、波浪流等动力冲击荷载的影响.为了探究钙质砂在中高应变率下的冲击动力学特性,通过开展一维微型霍普金森压杆(SHPB)单颗粒冲击试验,建立有限差分-离散元耦合(FDM-DEM... 钙质砂作为岛礁基础设施建设中重要的珊瑚礁岩土材料,常面临飞机起降、波浪流等动力冲击荷载的影响.为了探究钙质砂在中高应变率下的冲击动力学特性,通过开展一维微型霍普金森压杆(SHPB)单颗粒冲击试验,建立有限差分-离散元耦合(FDM-DEM)的数值模型,研究了中高应变率下钙质砂单颗粒宏观冲击特性和微观破碎机理.结果表明,随着应变率从10^(3) s^(-1)提高到10^(4) s^(-1),代表断键开始的相对时间从93%先下降到59%,又上升到78%,裂纹扩展的开始时间先提前后延后;代表相对断键时程的相对时间从7%先上升到63%,又下降到31%,裂纹扩展速度先减缓后加快.此外,当颗粒出现应力峰值时,其破碎程度显著增加;颗粒在破碎前的压缩量增加,表现出一种阻止颗粒进一步破碎的黏滞性. 展开更多
关键词 冲击荷载 SHPB fdm-dem耦合 应变率效应
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基于FDM-DEM耦合的岩石动态冲击特征方法 被引量:3
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作者 杨江坤 宋彦琦 +3 位作者 马宏发 郑俊杰 杨俊涛 鲍伟 《科学技术与工程》 北大核心 2023年第10期4309-4314,共6页
为探究动态冲击作用下岩石的力学特征,根据室内霍普金森冲击试验模型,基于有限差分(finite difference method,FDM)-离散元(discrete element method,DEM)耦合方法构建了三维分离式霍普金森压杆(split hopkinson pressure bar,SHPB)冲... 为探究动态冲击作用下岩石的力学特征,根据室内霍普金森冲击试验模型,基于有限差分(finite difference method,FDM)-离散元(discrete element method,DEM)耦合方法构建了三维分离式霍普金森压杆(split hopkinson pressure bar,SHPB)冲击数值模型,在模型入射杆端部施加半正弦冲击波进行动态冲击模拟,对三维离散元试样的动态应力时程曲线、裂纹时空演化等特征进行讨论,从细观力学角度分析岩石的动态冲击破坏过程。结果表明:三维耦合模型在动态冲击过程中能够很好地满足应力有效性检验,保证了冲击过程的可靠性;利用Fish语言编写的半正弦冲击波等效替代室内试验撞击杆的撞击作用可以在一定程度上消除入射波的弥散效应;动态冲击过程中,试样内部的裂纹发展可分为平静阶段、缓升阶段、陡增阶段和稳定阶段,且裂纹主要产生于应力峰后阶段,裂纹总量呈反Z形变化。 展开更多
关键词 岩石动力学 分离式霍普金森压杆 有限差分-离散元耦合 细观力学 裂纹扩展
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基于耦合FDM-DEM方法的TBM滚刀最优化研究 被引量:9
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作者 徐琛 刘晓丽 +1 位作者 王恩志 王思敬 《土木工程学报》 EI CSCD 北大核心 2020年第S01期286-291,299,共7页
为确定TBM盘型滚刀的最优布置,结合有限差分法(FDM)和离散元法(DEM)的优点,采用FDM-DEM耦合的数值模拟方法,对不同刀间距和贯入度条件下TBM双滚刀破岩过程进行三维动态仿真模拟,分析研究了不同滚刀配置对岩石破碎效果的影响。为了验证... 为确定TBM盘型滚刀的最优布置,结合有限差分法(FDM)和离散元法(DEM)的优点,采用FDM-DEM耦合的数值模拟方法,对不同刀间距和贯入度条件下TBM双滚刀破岩过程进行三维动态仿真模拟,分析研究了不同滚刀配置对岩石破碎效果的影响。为了验证所提出方法的可行性和准确性,利用线性切割机(LCM)对科罗拉多红色花岗岩进行了切割试验,通过对比分析线性切割试验数据,验证了所提出方法的可行性。数值模拟结果表明:对于科罗拉多红色花岗,滚刀法向力和切向力会随着刀间距和贯入度比值的增加先减少后增大,当刀间距和贯入度的比值为20左右,滚刀法向力和切向力最小。线性切割试验和数值模拟结果均表明,当间距和贯入度的比值在17~20左右,岩石切割的比能量最低,此时TBM切割效率最高。文章提出方法的方法可以为TBM滚刀刀头配置提供重要依据。 展开更多
关键词 TBM fdm-dem 贯入度 线性切割实验 科罗拉多红色花岗岩 比能
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基于FDM-DEM耦合的冲击损伤大理岩静态断裂力学特征研究 被引量:3
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作者 张涛 蔚立元 +2 位作者 苏海健 罗宁 魏江波 《爆炸与冲击》 EI CAS CSCD 北大核心 2022年第1期39-49,共11页
为探究循环冲击损伤后大理岩的静态断裂力学特征,基于有限差分(finite difference method,FDM)-离散元(discrete element method,DEM)耦合的建模技术构建了三维分离式霍普金森压杆(split Hopkinson pressure bar,SHPB)数值模型,其中杆... 为探究循环冲击损伤后大理岩的静态断裂力学特征,基于有限差分(finite difference method,FDM)-离散元(discrete element method,DEM)耦合的建模技术构建了三维分离式霍普金森压杆(split Hopkinson pressure bar,SHPB)数值模型,其中杆件系统和岩石试件分别采用FLAC^(3D)和PFC^(3D)程序建模。利用该模型对中心直切槽半圆盘(NSCB)试样进行了恒定子弹速度下的循环冲击,随后对受损试样进行静态三点弯曲断裂实验。通过编写Fish程序,提取试样断裂面数据,对断裂面进行重构并定量计算表面粗糙度。通过与相关室内实验结果的对比分析,验证了本文数值分析的合理性与可靠性。模拟结果表明,随着循环冲击次数的增加,试样内部微裂纹、破碎颗粒均增加。连接力场分布混乱,部分力链发生断裂。力链的变化是试样力学性能劣化的根本原因。在静态三点弯曲断裂实验中,冲击5次后试样的静态断裂韧度较天然试样产生一定程度的降低。试样在静载过程中产生的微裂纹和碎块的数量随循环冲击次数的增加而增加,断裂面粗糙度随循环冲击次数的增加而增加。 展开更多
关键词 岩石力学 有限差分-离散元耦合 霍普金森压杆 循环冲击 断裂韧度
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基于FDM-DEM耦合的盾构开挖面前方土体三维位移特性研究 被引量:1
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作者 黄戡 孙逸玮 +3 位作者 陈湘生 邓喜 刘汝宁 吴奇江 《中国公路学报》 EI CAS CSCD 北大核心 2023年第6期190-206,共17页
盾构隧道施工本质上是在三维空间中利用机械实现动态掘进的过程。为了研究盾构施工对开挖面前方土体的位移影响,基于有限差分法(FDM)与离散单元法(DEM)开展了多组三维连续-离散耦合数值计算,并结合现场监测,提出相应的施工建议。首先,... 盾构隧道施工本质上是在三维空间中利用机械实现动态掘进的过程。为了研究盾构施工对开挖面前方土体的位移影响,基于有限差分法(FDM)与离散单元法(DEM)开展了多组三维连续-离散耦合数值计算,并结合现场监测,提出相应的施工建议。首先,基于弹性力学的Mindlin解,综合考虑盾构顶推力、辐条式刀盘摩阻力和盾壳摩擦力对土体位移的共同作用;基于三维镜像法和球孔收缩问题推导了地层损失引起的三维土体位移场表达式,建立了开挖面前方土体三维位移完整解析公式;其次,为了同时满足工程分析尺度和反映土体细观力学特性需要,引入新版连续-离散耦合技术。依托工程实例,通过三维单剪模拟试验与室内直剪试验对离散域内的颗粒细观参数进行验证。最后,基于三维位移解析解和连续-离散耦合模型分析了开挖面前方土体位移特性及不同盾构顶推力、刀盘转速和推进速度下的三维土体位移特征。结果表明:三维位移解析解和连续-离散耦合的计算结果均与实测值匹配程度较好;在盾构掘进过程中,地表沉降量逐步增大,盾构开挖面通过后沉降量得到暂时控制;顶推力过大容易使开挖面前方H/4~5H/4范围内地表出现局部隆起现象;刀盘转速的提高会加大地表沉降量,使沉降槽的非对称性更加显著;同一地层中保持单位出土量不变时,盾构推进速度会影响前方土体沿隧道掘进方向和水平侧向的位移量;开挖面前方土体与盾尾后方土体在水平侧向上具有相反的位移趋势,工程中可根据前方土体位移特性动态调整盾尾注浆量。所提三维位移解析解与耦合计算方法可为预测盾构开挖面前方土体位移提供重要参考。 展开更多
关键词 隧道工程 盾构隧道 连续-离散耦合 土体位移特性 盾构开挖面 有限差分法 离散单元法
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FDM-DEM耦合分析刚性桩复合地基褥垫层特性 被引量:6
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作者 郑俊杰 董友扣 +1 位作者 马强 蒋明镜 《华中科技大学学报(自然科学版)》 EI CAS CSCD 北大核心 2011年第8期36-39,共4页
针对单独采用连续体法或离散元法分析桩体复合地基褥垫层的不足,以单桩模型试验为背景,采用有限差分法(FDM)模拟桩体和桩间土,采用离散单元法(DEM)模拟褥垫层,对刚性桩复合地基建立耦合计算模型,并对该模型各加载阶段的桩顶刺入量、褥... 针对单独采用连续体法或离散元法分析桩体复合地基褥垫层的不足,以单桩模型试验为背景,采用有限差分法(FDM)模拟桩体和桩间土,采用离散单元法(DEM)模拟褥垫层,对刚性桩复合地基建立耦合计算模型,并对该模型各加载阶段的桩顶刺入量、褥垫层的受力特性和变形特性进行了分析.结果表明:当上部荷载较大时桩顶边缘出现沿竖向的滑裂带,褥垫层的调整均化作用是通过桩顶附近的颗粒从桩顶高应力区向低应力区流动实现的. 展开更多
关键词 有限差分法 离散元法 耦合 复合地基 褥垫层 桩刺入 颗粒流
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不同渗漏位置下管道渗蚀物理模型试验及细观机理研究
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作者 王子业 谭勇 龙莹莹 《浙江大学学报(工学版)》 EI CAS CSCD 北大核心 2024年第6期1209-1220,共12页
针对管道渗漏诱发的地面塌陷问题,采用级配均匀的福建标准砂,研究管道不同渗漏位置对水土流失发展规律的影响.利用离散元与有限差分耦合(DEM-FDM)的方法在细观层面对管道渗漏进行模拟,探究管道不同渗漏位置对地层应力以及渗流侵蚀发展... 针对管道渗漏诱发的地面塌陷问题,采用级配均匀的福建标准砂,研究管道不同渗漏位置对水土流失发展规律的影响.利用离散元与有限差分耦合(DEM-FDM)的方法在细观层面对管道渗漏进行模拟,探究管道不同渗漏位置对地层应力以及渗流侵蚀发展的影响,分析渗漏前后管道所受水、土压力的变化以及土拱的发展情况.试验及数据模拟研究结果表明:1)管道渗漏会经历初步渗漏、渗漏发展、渗漏收敛3个阶段.2)管道腰部发生渗漏会对地层造成更大的扰动并受到更为强烈的渗流侵蚀作用,诱发更为严重的地面塌陷.3)管道发生渗漏后,管道表面渗漏处受到的土压力会减小,而管道表面渗漏处周围所受到的土压力会增加,但其受到的水土合力基本保持不变.4)管道不同位置发生渗漏时,管道表面土压力的发展是不同的:顶部发生渗漏,管道表面渗漏处周围土压力逐渐减小;腰部发生渗漏,管道表面不同位置处的土压力则分别展现出增加、减小以及不变3种趋势. 展开更多
关键词 管道渗漏 渗漏位置 渗流侵蚀 DEM-FDM 土拱
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不同边界对花岗岩三轴试验影响的三维离散元数值研究
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作者 王治林 郑明明 +3 位作者 夏敏 熊亮 吴祖锐 王凯 《钻探工程》 2023年第1期150-158,共9页
为了研究边界对花岗岩常规三轴离散元模拟试验的影响,使用颗粒流模拟软件(PFC3D),基于三维等效晶质模型(Grain-Based-Model)方法生成花岗岩模型,同时利用有限元-离散元(FDM-DEM)耦合建模技术,分别建立刚性、柔性膜以及有限元单元(“Shel... 为了研究边界对花岗岩常规三轴离散元模拟试验的影响,使用颗粒流模拟软件(PFC3D),基于三维等效晶质模型(Grain-Based-Model)方法生成花岗岩模型,同时利用有限元-离散元(FDM-DEM)耦合建模技术,分别建立刚性、柔性膜以及有限元单元(“Shell”)3种边界下的离散元三轴试验,结果表明:相较于“Shell”边界,刚性边界会提高岩样发生应力集中现象的概率,影响岩样的破坏形态;柔性膜边界会导致岩样在三轴加载过程中所受的实际围压大于目标围压,并显著提高岩样的残余强度;而“Shell”边界下的岩样所受围压稳定,发生应力集中的概率最小。综合分析可得:在花岗岩离散元三轴模拟中“Shell”边界是合适的选择。 展开更多
关键词 花岗岩 三轴试验 有限元-离散元耦合 柔性膜边界 刚性边界 “Shell”边界 应力应变特性
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高速列车动载下无砟轨道路基颗粒层振动细观分析 被引量:2
9
作者 张骁 肖军华 张德 《北京交通大学学报》 CAS CSCD 北大核心 2019年第3期81-88,共8页
基于FDM-DEM耦合方法建立高铁无砟轨道路基结构实尺数值模型,并通过与现场实测数据对比来验证模型合理性.在此基础上,对基床颗粒材料的细观动力响应进行分析,主要结论如下:第一,随着列车速度的不断提高,颗粒内部主力链的分布密度将出现... 基于FDM-DEM耦合方法建立高铁无砟轨道路基结构实尺数值模型,并通过与现场实测数据对比来验证模型合理性.在此基础上,对基床颗粒材料的细观动力响应进行分析,主要结论如下:第一,随着列车速度的不断提高,颗粒内部主力链的分布密度将出现不同程度的下降,当列车速度提高至350km/h以上时,力链网络将出现较明显的弱化,且力链弱化影响深度随列车速度同步增加.第二,车速为150km/h时,颗粒振动响应前三阶特征主频对应的特征长度与列车车体结构的特征长度具有良好的对应关系;当车速达到250~350km/h区间时,颗粒振动频谱出现新的特征频率;当车速达到400km/h时,颗粒振动响应的高频成分开始显现,在60~130Hz区间形成多个峰值. 展开更多
关键词 列车动载 无砟轨道路基 颗粒材料 fdm-dem耦合模型 细观分析
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新型塑料颗粒3D打印机技术方案的研究 被引量:6
10
作者 陈磊 张继春 王世博 《机械设计与制造》 北大核心 2018年第1期83-85,共3页
针对如何使用工程塑料颗粒(PLA等)来完成熔融快速成型进行了研究,设计了一套小型螺杆挤出机构,与Delta并联结构的FDM打印机结合,实现快速成型的目的;应用STAR-CCM+软件进行仿真研究,数值分析主要集中在进料端塑料颗粒的DEM(离散元模型)... 针对如何使用工程塑料颗粒(PLA等)来完成熔融快速成型进行了研究,设计了一套小型螺杆挤出机构,与Delta并联结构的FDM打印机结合,实现快速成型的目的;应用STAR-CCM+软件进行仿真研究,数值分析主要集中在进料端塑料颗粒的DEM(离散元模型)仿真,和出料端的CFD(计算流体动力学)分析;进料端的研究目的是解决颗粒进料顺畅度问题,分析不同漏斗对进料效率影响,以确保设计合理的进料漏斗;考虑螺杆挤出的压力波动因素,及加热温度对融料的流动影响因素,出料端的温度控制影响到打印效果。通过对挤出机构关键参数的设计,结合验证机的实验;给出新型塑料颗粒3D打印机的初步方案。 展开更多
关键词 熔融沉积成型 螺杆挤出 离散元模型 计算流体力学
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Experimental and numerical investigations on the tensile mechanical behavior of marbles containing dynamic damage 被引量:10
11
作者 Tao Zhang Liyuan Yu +2 位作者 Haijian Su Qiang Zhang Shaobo Chai 《International Journal of Mining Science and Technology》 SCIE EI CAS CSCD 2022年第1期89-102,共14页
To investigate the degradation mechanism of static tensile mechanical behaviors of marble containing dynamic damage,multiple impact loading tests were performed on the disc marble samples,and then static Brazilian tes... To investigate the degradation mechanism of static tensile mechanical behaviors of marble containing dynamic damage,multiple impact loading tests were performed on the disc marble samples,and then static Brazilian tests were conducted for the damaged samples.Besides,coupling modeling technology of finite difference method(FDM)—discrete element method(DEM)was used to carry out the numerical investigation.The results show that after multiple impacts,more white patches appear on the surface,and some microcracks,macro-fractures as well as pulverized grains are found by optical microscopic.The static tensile strength decreases with the increase of the dynamic damage variable characterized by the ultrasonic wave velocity of sample.The interaction between grains in the damaged sample becomes intense in the subsequent static loading process,causing a relatively large strain.The volume of the fragments falling off around the loading points becomes larger as impact number increases.As the dynamic damage increases,the absorbed energy of sample during the static loading first decreases and then tends to be stable.Both the stress concentration and the breakage of the force chains are the root causes of the degradation of the static tensile strength. 展开更多
关键词 Rock mechanics Tensile mechanical behavior Cumulative dynamic damage SHPB fdm-dem coupling
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采空区隧道二衬受力特性模型试验与耦合分析 被引量:5
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作者 向晋扬 黄锋 +2 位作者 王毅 董广法 刘星辰 《地下空间与工程学报》 CSCD 北大核心 2021年第3期918-926,共9页
由于采空区地层的非连续特征,下穿隧道衬砌往往处在偏心受压的不利状态,后期运营病害相对严重。为了查清不同采空区条件下的衬砌结构受力特性,采用室内物理模型试验和基于连续非连续耦合数值模拟相结合的方法,开展了相关研究。结果表明:... 由于采空区地层的非连续特征,下穿隧道衬砌往往处在偏心受压的不利状态,后期运营病害相对严重。为了查清不同采空区条件下的衬砌结构受力特性,采用室内物理模型试验和基于连续非连续耦合数值模拟相结合的方法,开展了相关研究。结果表明:(1)采空区的存在会使二衬结构受到偏压荷载,远离采空区侧总体受力大于近侧,且倾角越大偏压越严重;(2)采煤层厚度、冒落带与初支距离的增大会引起围岩压力的降低,二衬内力减小,安全性提升,当采煤层厚度大于1.8 m时或冒落带与初支间距大于0.8倍隧道洞跨后,采空区对二衬安全性的影响很小;(3)喷层厚度的增加阻碍了围岩变形,引起围岩压力增加,不利于二衬受力和安全性。研究结论对于完善采空区隧道围岩压力计算理论和支护结构设计方法具有理论指导意义。 展开更多
关键词 模型试验 有限差分法 离散单元法 耦合模拟 采空区
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基于DEM-FDM耦合的顺层岩质边坡强震动力响应及破坏模式分析
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作者 刘毛毛 石振明 +1 位作者 李博 夏成志 《地球科学》 EI CAS CSCD 北大核心 2024年第8期2799-2812,共14页
基于DEM-FDM耦合,考虑结构面的三维延展情况,分区建立不同岩体结构的顺层岩质边坡数值模型,输入双向地震动,分析强震下不同岩体结构顺层岩质边坡的动力响应及破坏模式,得出了如下结论:(1)地震作用下,边坡加速度存在一定的高程放大效应,... 基于DEM-FDM耦合,考虑结构面的三维延展情况,分区建立不同岩体结构的顺层岩质边坡数值模型,输入双向地震动,分析强震下不同岩体结构顺层岩质边坡的动力响应及破坏模式,得出了如下结论:(1)地震作用下,边坡加速度存在一定的高程放大效应,边坡底部水平向放大效应强于竖直向放大效应,顶部水平与竖向放大效应不相上下;(2)在32.5~42.5 m高程范围内,层面和节理等结构面的存在,对于地震波的传播有一定阻隔作用.坡肩相对于其他部位放大效应更强,且节理越发育,坡肩放大效应越强,相比倾向180°的节理,倾向90°的节理对放大效应影响更大;(3)具有不同岩体结构的4个模型分别呈现稳定、局部开裂、滑移—拉裂破坏及滑移—溃散破坏等不同的变形破坏特征,倾向90°的节理是顺层边坡稳定性的主控结构面.通过与以往研究结果对比可知,耦合方法能较好地揭示不同岩体结构顺层岩质边坡的动力响应及破坏模式,为强震区相关边坡工程提供了一定参考. 展开更多
关键词 DEM-FDM耦合 顺层岩质边坡 强震动力响应 破坏模式 工程地质
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