DEM investigation of weathered rocks using a novel bond contact model

The distinct element method（DEM） incorporated with a novel bond contact model was applied in this paper to shed light on the microscopic physical origin of macroscopic behaviors of weathered rock, and to achieve the changing laws of microscopic parameters from observed decaying properties of rocks during weathering. The changing laws of macroscopic mechanical properties of typical rocks were summarized based on the existing research achievements. Parametric simulations were then conducted to analyze the relationships between macroscopic and microscopic parameters, and to derive the changing laws of microscopic parameters for the DEM model. Equipped with the microscopic weathering laws, a series of DEM simulations of basic laboratory tests on weathered rock samples was performed in comparison with analytical solutions. The results reveal that the relationships between macroscopic and microscopic parameters of rocks against the weathering period can be successfully attained by parametric simulations. In addition, weathering has a significant impact on both stressestrain relationship and failure pattern of rocks.

基于FWD弯沉盆参数的沥青路面层间接触状态识别方法及耐久性评估

层间黏结接触状态是决定沥青路面多层复合结构整体性的关键因素之一,层间状态的改变会显著的影响各结构层的力学响应。应用落锤式弯沉仪(falling weight deflectormeter,FWD)无损检测技术研究基于弯沉盆参数的沥青路面层间接触状态识别方法。依托京沪高速公路改扩建工程,建立路面结构三维动力有限元模型,分析不同基-面层间接触状态下各类FWD弯沉盆参数与基层、面层应力的相关性排序,构建综合反映基-面层受力特性的FWD弯沉盆指标DD_(1)/DD_(2)(DD_(1)=D_(0)-D_(20),DD_(2)=D_(20)-D_(60),其中D_(0)、D_(20)和D_(60)分别代表距离荷载中心处0、20、60 cm的弯沉值),回归分析表明:其与基-面层层间摩擦系数具有良好的乘幂关系;进而结合现场芯样的疲劳方程和有限元模拟分析结果,推导出在满足沥青面层使用期寿命的前提下层间摩擦系数的最低要求,在此基础上对既有路面耐久性进行评估,结果与实际吻合。本文方法为后续基于FWD推算层间摩擦系数、评估路面疲劳耐久性提供了新的途径和理论依据。

岩石微观颗粒接触特性的试验研究

微观上,岩石是由许多大小不等的颗粒和粒间填充的胶结物构成,不同位置的胶结厚度不同。岩石的这种微观结构特征从根本上决定其宏观力学响应,从微观尺度出发采用离散元数值模拟有利于探索岩石宏观力学特性的微观机制。基于这一思路,通过室内铝棒胶结模型试验,研究不同胶结厚度下胶结颗粒在压剪扭加载作用下的接触力学特性,发现胶结铝棒在不同胶结物质、不同胶结厚度下的力学响应均呈现出一定的相似性。将蒋明镜提出的岩石微观胶结模型与D.O.Potyondy和P.A.Cundall提出的岩石微观接触力学模型进行对比分析发现,蒋明镜模型提出的破坏准则与岩石的实际较为符合,进一步为离散元模拟岩石奠定基础。

水泥胶结颗粒的微观力学模型试验

土体粒间胶结是建立天然结构性土本构模型的决定性因素之一,将胶结颗粒理想化为两铝棒,在指定位置处形成胶结。采用水泥作为胶结材料,对胶结颗粒进行了一系列简单加载试验(包括拉伸、压缩、压剪、压扭)和复杂应力路径试验,并与蒋明镜等所做的环氧树脂胶结试验进行对比。结果表明:胶结材料对胶结颗粒的力学性能存在一定影响,但基本规律符合蒋明镜等所提出的理想颗粒间胶结模型。水泥胶结抗拉强度低于环氧树脂胶结抗拉强度,但延性相对较好,抗压特性均呈塑性软化现象;二者的抗剪强度初始均随法向压力的增加而增大,当法向压力超过一定值时,又随法向压力的增加而减小(该压力称为界限法向压力),但水泥胶结的界限法向压力明显高于环氧树脂胶结,扭转试验规律与剪切试验规律类似。在三维应力空间中(法向压力-扭矩-剪力)水泥胶结的强度包线呈橄榄球状,环氧树脂胶结强度包线呈水滴状。

理想胶结砂土力学特性及剪切带形成的离散元分析

根据近期胶结铝棒接触力学特性的实测结果,提炼出用于模拟胶结砂土粒间胶结作用的胶结接触模型,并将该模型引入二维离散元商业软件PFC2D。通过对不同胶结强度和不同围压下胶结砂土的平面应变双轴压缩试验的离散元模拟,分析了理想胶结砂土的宏观力学特性及其剪切带的形成规律。结果表明:相比同一孔隙比的无胶结试样,胶结试样具有更高的峰值强度、显著的应变软化和剪胀现象以及明显的剪切带,宏观力学特性与其胶结接触微观力学机理密切相关,模拟结果与已有室内试验结果具有规律上的一致性;由胶结试样内部的微观信息统计可知,胶结试样剪切带的形成一般在其峰值强度之后,且剪切带的形成是试样变形、胶结破坏、孔隙比、平均纯转动率和位移场等微观参量局部化的综合表现。

含裂隙岩体单轴压缩裂纹扩展机制离散元分析

将由室内试验总结得到的岩石微观胶结模型嵌入离散元软件,对Lac du Bonnet花岗岩石进行预制单裂隙单轴压缩试验DEM数值模拟,分析了压缩过程中裂隙试样中应力的分布,并与理论计算结果进行对比分析,同时对各种断裂判据中裂纹起裂角的预测值进行了适用性的对比分析。结果表明,离散元模拟试样破坏形态与试验结果相近;离散元分析得到的应力分布与理论解在定性上相似;当预制角度较小时,侧向应力都处于拉压状态;由于裂隙左右两端压应变的集中造成了裂隙上下面拉应变的产生,造成了裂隙周围特殊的应力分布;当裂隙角度较大时,应力集中现象已不明显,因而,理论值与试验值有偏差;在断裂判据中最大周应力准则和最大能量释放率准则得到的裂纹扩展角与室内试验与DEM结果中的数值较为吻合。

深海能源土微观力学胶结模型及参数研究

天然气水合物主要以胶结物形式存在深海能源土颗粒之间,对能源土强度影响显著,因此研究水合物胶结接触力学特性对能源土力学性质研究有重要作用,而其中的关键是水合物胶结模型及胶结参数的确定。首先,引入并讨论了一种微观胶结接触模型及其对于能源土胶结接触力学特性的适用性;其次,通过文献资料系统分析,获取不同温度、压力及水合物密度条件下天然气水合物的强度与弹性模量表达式;最后,进一步研究了水合物微观胶结模型中的胶结参数,该类水合物微观胶结参数取决于能源土中水合物埋藏深度(赋存环境压力)、温度、水合物密度,这些宏观参量容易确定。

土体劈裂注浆过程的细观模拟研究

基于散体介质理论的颗粒流分析方法,运用其内置的Fish语言定义流体域,建立了流动方程和压力方程。同时,针对具有凝聚力的致密土体,引入颗粒接触黏结模型,建立能反映颗粒体与流体域耦合作用的土体注浆颗粒流模型。在此基础上,通过数值仿真试验,对土体劈裂注浆过程进行细观模拟研究,分别对比了不同注浆压力和不同土体性质下浆体压力扩散及劈裂缝的发生、发展规律。模拟结果表明:注浆压力是影响土体改性效果的主要因素,但实际应用中注浆压力的确定,应以浆脉网络的形成为标志,合理控制最大压力。一定注浆压力下,土体颗粒的粒径比,颗粒间的摩擦系数及颗粒之间的黏结强度等细观参数对土体注浆后的宏观力学行为有比较明显的影响。这些结论与土体劈裂注浆现场试验及理论分析相吻合,验证了颗粒流模拟土体劈裂注浆过程的可行性,对注浆机理有了更深入的理解,研究成果对从微观领域研究注浆理论奠定了基础。

人工胶结砂土力学特性的离散元模拟

采用离散单元法(DEM)对胶结砂土力学特性进行模拟。将基于室内试验测得的理想胶结颗粒接触力学响应引入到开发的二维离散元程序(NS2D)中,模拟胶结砂土颗粒间的胶结作用。对不同胶结强度和围压的胶结砂土进行平面应变双轴压缩试验模拟,并将模拟结果与Wang和Leung[1]提供的人工胶结砂土的试验结果进行比较。最后对数值模拟中胶结试样的微观力学响应(接触力链、胶结点破坏率和位移场)进行分析。结果表明,离散元数值模拟能够有效地反映胶结砂土的主要力学特性,相比同一初始孔隙比的无胶结松散砂土,胶结砂土将具有更高的强度,应力-应变关系呈应变软化,体变为先剪缩后剪胀,且两者的差异随胶结强度的增大和围压的减小而越趋显著。此外,胶结砂土宏观力学响应(应力-应变关系和剪胀性)与其微观力学响应密切相关。

考虑胶结厚度影响的结构性砂土三维胶结接触模型

旨在提出考虑胶结厚度影响的三维胶结接触模型,并用于结构性砂土宏观力学特性的离散元模拟。首先,结合结构性砂土内胶结物质的力学性质与存在形式,通过简化水泥胶结铝棒接触力学特性的实测结果,提炼出用于模拟结构性砂土颗粒间胶结作用的三维胶结接触模型;其次,将该胶结模型植入三维离散元商业软件PFC3D,进行拉伸、压缩以及剪切试验的双球验证;最后,使用PFC3D对2%水泥含量的胶结砂土在不同围压条件下的三轴压缩试验进行模拟。结果表明:引入胶结接触模型的离散元数值试验可以较好地反映室内试验中胶结砂土的宏观力学特性。

颗粒流细观强度参数与岩石断裂韧度之间的关系

为研究岩石颗粒流分析模型中细观强度参数的物理意义,以接触黏结模型(CBM)中等效微梁的模型为基础,通过对2个黏结颗粒的拉伸和剪切状态进行分析,推导岩石颗粒流细观应力和断裂强度因子关系的理论公式,进而建立强度参数与岩石断裂韧度关系的理论模型。分析结果表明,岩石断裂韧度与细观强度呈线性关系。岩石颗粒最小粒径与颗粒半径比均对断裂强度因子有不利影响,且颗粒半径比的影响较大。以重庆地区砂岩为例,给出岩石断裂韧度与颗粒流细观强度之间的定量表达式,结果表明,岩石I型断裂韧度理论计算值范围与实测值较为相符。

一个深海能源土的温度–水压–力学二维微观胶结模型

天然气水合物以胶结形式赋存时,对深海能源土的强度和变形特性影响显著,且其影响程度与所处温度、水压与力学环境密切相关。旨在建立可考虑温(温度)–压(水压)–力(力–位移与胶结破坏准则)耦合影响的深海能源土微观胶结模型。首先,依据能源土中水合物胶结可发生于两种接触形式(直接接触与有间距)的土颗粒间,提出适用于两种胶结模式的力–位移准则和胶结破坏准则。其次,提出温压距离参数L(表示在无量纲化处理后的温度–水压坐标平面,土体所处温度与水压点到水合物相平衡线的最小距离),并依据文献资料分析,建立水合物胶结强度、刚度与参数L间的关系。最后,建立由水合物饱和度确定的粒间水合物胶结尺寸计算方法,并据此进一步建立了胶结强度与刚度同水合物饱和度间的关系。该模型可以方便地植入离散元程序,从而用于深海能源土的宏微观力学分析。

用于离散元分析的胶结材料三维微观接触模型

岩石、结构性土、含水合物深海沉积土(能源土)等岩土材料均可视为由颗粒骨架和粒间胶结物共同构成的胶结型材料。简单实用的微观粒间接触模型是采用离散元数值方法分析胶结体系宏微观力学特性的基础。针对有一定厚度的粒间胶结形式,将胶结物简化为存在于颗粒之间有一定厚度的短圆柱。通过对胶结物内部应力分布进行适当简化推导了三维粒间接触模型,包括法向、切向、弯曲和扭转四个方向的相互作用规律。最终所得模型结合了理论推导和既有室内胶结接触力学试验成果,考虑粒间胶结物的法向压碎过程,能描述切向、弯曲和扭转单独作用的破坏过程以及剪弯扭共同作用下的破坏准则。模型形式简单,易于引入离散元程序。

不同温压环境下深海能源土力学特性离散元分析

深海能源土宏观力学特性与所处温度与水压环境密切相关,明晰温压对能源土力学特性的影响对水合物的安全开采具有重要意义。首先,介绍深海能源土的温度–水压–力学微观胶结模型,用以描述能源土粒间的水合物胶结接触力学特性;其次,将该模型导入至离散元商业软件PFC2D中,开展不同温度与水压环境下的离散元双轴试验;最后,结合离散元双轴试验结果及同已有室内试验结果的对比分析,探讨温度与水压对深海能源土宏观力学特性的影响规律和微观作用机理。结果表明:引入胶结模型的离散元双轴试验可较好地描述深海能源土强度、变形等力学特性随温度与水压的变化关系;温度与水压影响深海能源土宏观力学特性的微观机理是颗粒间水合物胶结强度与刚度同温度与水压间的相关性;建议采用温压距离参数L(在无量纲化的温度–水压坐标平面内,水合物赋存温度与水压点至其相平衡线的最小距离)评价实际复杂温压场下的深海能源土宏观力学特性。

非饱和土三维离散元计算中宏-细观参数关系探究

提出了一种建立非饱和土体宏-细观参数之间关系的方法,来建立在不同孔隙比和含水率等初始条件下非饱和土在不同应力路径下的离散元计算模型;通过编制离散元程序,基于接触粘结模型,对现有的PFC3D(Particle Flow Code in three dimensions)离散元程序进行改进,从而对在不同颗粒间粘结强度下的离散元试样进行一维固结的数值模拟试验来确定其结构屈服应力,并以结构屈服应力为桥梁建立颗粒间粘结强度随含水率变化的函数关系,最后建立能够反映真实非饱和土试样颗粒级配和在不同含水量下的离散元数值模型,为通过PFC3D等三维离散元软件研究非饱和土的基本力学特性提供思路.

新颖的蛋白质格点模型

提出了建立在键长涨落模型基础上的蛋白质格点模型 ,通过对二维蛋白质分子的构象研究 ,发现这种蛋白质分子具有更多的紧密接触对、更低的基态能量和更大的平均紧密度 .蛋白质分子的构象数与键数目 N的关系为 :Ω0 ～γN,这里γ=4 .768.

风电机组基础中钢板与混凝土间接触分析

将大型风电机组基础简化为1/4缩比例微元模型,通过对简化模型试件进行拉拔试验,研究其粘结应力分布规律,并提出相应的理论表达式。同时,运用ANSYS建立风电机组基础缩尺简化试验的有限元模型,运用面面接触技术模拟钢板与混凝土间的接触,对风电基础中钢板与混凝土间的粘结滑移性能进行模拟。计算结果表明,所采用的有限元分析方法能较好地模拟试验结果,可用于工程实际分析。

瞬间液相扩散焊过程中的接触熔化与等温凝固模型

接触熔化与等温凝固是瞬间液相扩散焊过程中两个非常重要的阶段,是获得优质连接接头的关键,一直以来也是学术界研究的热点。综述了接触熔化与等温凝固过程的动力学模型,包括接触熔化与等温凝固时间的解析解,接触熔化过程中反应层厚度与连接时间符合扩散控制的抛物线规则,以及等温凝固过程中液/固界面迁移的速度方程。并对现有模型进行了分析和讨论。

考虑摩擦与接触变形的正弦机构动力学建模与仿真

考虑正弦机构滑块的摩擦力和曲柄柱销处的接触变形,运用键合图建模方法针对正弦机构进行动力学建模与仿真研究。根据摩擦力的分段特性,引入功率结型结构,将摩擦力分为4个状态,建立了摩擦力的非连续键合图模型。曲柄柱销与运动杆件之间的接触变形用1-通口容性元件C表示,容度参数为接触刚度,应用键合图建模理论,建立包含摩擦力和接触处弹性变形的正弦机构键合图模型,运用20-sim仿真软件对模型进行了仿真分析,仿真结果表明:摩擦力和接触处的弹性变形将引起正弦机构在换向时产生不连续和冲击。为了验证键合图模型的正确性,用动力学仿真软件ADAMS对正弦机构进行了动力学仿真,得到滑块速度与摩擦力曲线。仿真结果对比分析表明:建立的考虑摩擦与接触变形的正弦机构键合图动力学模型的正确性。

基于ABAQUS模拟气泡缺陷对粘接结构强度影响的研究

采用ABAQUS材料子程序和基于的接触粘接界面建立3种粘接结构模型,研究了粘接层内的不同气泡缺陷形式(气泡大小、位置及数量)对不同粘接结构强度的影响。研究结果表明:对接结构及搭接结构的拉力峰值与气泡尺寸成反比,气泡位置对粘接结构强度影响较小;气泡总面积一定时,气泡数量对对接结构强度影响有限,但搭接结构强度随气泡数量的增加而增强;气泡的存在导致双臂梁结构拉力-位移曲线波动,波动次数与气泡数量一致,并与气泡的位置相对应,而且波动随失效扩展的继续而减弱。