【摘要】：為探尋靜力觸探的細(xì)觀機(jī)制,采用自主開(kāi)發(fā)的環(huán)向周期邊界,將軸對(duì)稱(chēng)問(wèn)題轉(zhuǎn)換為1/4模型,對(duì)靜力觸探進(jìn)行了三維離散元模擬�；谂潘S試驗(yàn)?zāi)M,通過(guò)與全模型模擬結(jié)果的對(duì)比,驗(yàn)證模型邊界的有效性。進(jìn)一步將環(huán)向周期邊界用于砂土中的靜力觸探貫入模擬,在宏觀上,深入分析探頭貫入過(guò)程中土體位移場(chǎng)、應(yīng)力場(chǎng)、孔隙率分布等特征,數(shù)值模擬得到的探頭徑向應(yīng)力和端阻應(yīng)力變化規(guī)律與實(shí)際Fontainebleau砂模型試驗(yàn)結(jié)果較為一致;在細(xì)觀上,著重探討了探頭端部及桿側(cè)土體的組構(gòu)各向異性演化規(guī)律,并應(yīng)用組構(gòu)張量對(duì)組構(gòu)與應(yīng)力關(guān)系進(jìn)行定量分析,從細(xì)觀層面揭示了探頭承載方式的影響機(jī)制。研究結(jié)果對(duì)提高三維離散元模擬效率和揭示靜力觸探細(xì)觀機(jī)制具有重要意義。
【圖文】：

土體作用的宏細(xì)觀機(jī)制，特別是深入分析了探入過(guò)程中土體組構(gòu)各向異性的演化規(guī)律，從細(xì)觀層面揭示了探頭承載方式的影響機(jī)制。2環(huán)向周期邊界2.1環(huán)向周期邊界模型構(gòu)建周期邊界是一種為了簡(jiǎn)化問(wèn)題研究將邊界上的物理量形成對(duì)應(yīng)的邊界條件。這種邊界已被廣泛應(yīng)用于流體研究當(dāng)中，通過(guò)連續(xù)性方程將局部區(qū)域邊界上的輸入與輸出物理量相對(duì)應(yīng)，截取局部對(duì)象代替整體來(lái)研究。離散元進(jìn)行顆粒尺度模擬往往需要大量顆粒構(gòu)建模型，將周期邊界的概念應(yīng)用到離散元模型中，可減小顆粒數(shù)目，提高計(jì)算效率。對(duì)于軸對(duì)稱(chēng)圓筒模型，如圖1所示，在圓柱坐標(biāo)下所有應(yīng)力，應(yīng)變和位移都與方向無(wú)關(guān)，僅是徑向r與深度方向z函數(shù)。由于對(duì)稱(chēng)關(guān)系，在連續(xù)均一介質(zhì)中，空間中任意點(diǎn)上的物理量都能在以對(duì)稱(chēng)軸為中心任意夾角的扇形區(qū)域找到對(duì)應(yīng)量，可將軸對(duì)稱(chēng)空間簡(jiǎn)化為扇形空間。在顆粒尺度上，通過(guò)在扇形區(qū)域上構(gòu)建周期邊界，保持顆粒環(huán)向流通，可采用扇形模型代替全模型。(a)(b)圖1軸對(duì)稱(chēng)模型的簡(jiǎn)化Fig.1Simplificationofanaxisymmetricmodel環(huán)向周期邊界上，使扇形2個(gè)豎向切面上的物理量互相對(duì)應(yīng)，以實(shí)現(xiàn)環(huán)狀周期性模擬。對(duì)應(yīng)的方式與扇形的夾角有關(guān)。如圖1所示，從圖1(a)到(b)的坐標(biāo)變換滿(mǎn)足以下關(guān)系：cossinsincosxxxyyyT(1)式中：x，y和x，y分別為扇形2個(gè)切面上物理量的X和Y向的分量，這些物理量為顆粒的速度、位置、力和力矩；T為變換矩陣。為了簡(jiǎn)化2條對(duì)應(yīng)邊界的問(wèn)題研究，可以取夾角=90°。這樣式(1)就變?yōu)?

3374巖石力學(xué)與工程學(xué)報(bào)2016年01=10xxxyyyyxT(2)在運(yùn)動(dòng)方面，邊界上顆粒的速度v可建立如下關(guān)系：01=10xxyyyxvvvvvv(3a)中心位置c的關(guān)系為01=10xxyyyxcccccc(3b)類(lèi)似地，在不平衡力F方面有01=10xxyyyxFFFFFF(4a)不平衡力矩M方面有01=10xxyyyxMMMMMM(4b)建立環(huán)向周期邊界的運(yùn)動(dòng)機(jī)制示意如圖2所示：當(dāng)球A位于邊界o-y上(球中心x坐標(biāo)小于等于該球半徑時(shí))，按式(3)在o-x邊界上的對(duì)應(yīng)位置生成一個(gè)新的球A，其位置坐標(biāo)為式(2)中的(x′，y′)。將此刻球A的速度矢量通過(guò)式(3)的坐標(biāo)變換施加給球A。再獲得球A的不平衡力AF與不平衡力矩AM，通過(guò)式(4)的坐標(biāo)變換施加給球A。再將球A在o-x邊界上受到的不平衡力AF與不平衡力矩AM，通過(guò)坐標(biāo)變換施加回球A上。這樣把邊界上的每一顆球做坐標(biāo)變換，，使o-x邊界和o-y邊界相對(duì)應(yīng)。按照?qǐng)D3流程圖在PFC3D軟件中實(shí)現(xiàn)環(huán)向周期邊界建立。環(huán)向周期邊界建立后，模型的運(yùn)算過(guò)程通過(guò)如圖3所示的循環(huán)流程進(jìn)行。圖2環(huán)向周期邊界上的顆粒運(yùn)動(dòng)機(jī)制Fig.2Movementofparticlesoncircumferentialperiodicboundary圖3環(huán)向周期邊界運(yùn)算過(guò)程Fig.3Flowchartofusingcircumferentialperiodicboundary在這一循環(huán)流程中，模型仍有些方面需做更細(xì)化的設(shè)定。首先是扇形切片的中心區(qū)域，這一區(qū)域附近的球可能難以按照周期邊界的機(jī)制來(lái)運(yùn)行，L.Cui和C.OSullivan[8]通過(guò)設(shè)定中心區(qū)域條件，使得球一旦進(jìn)入這一區(qū)域就不能做徑向運(yùn)動(dòng)。本文則通過(guò)在中心軸處建立直徑為球直徑的微細(xì)剛性圓筒來(lái)消除這一區(qū)域的影響。另外，針對(duì)球在邊界可能產(chǎn)生的溢出問(wèn)題，這里采取刪除越過(guò)?
【作者單位】： 上海海事大學(xué)海洋科學(xué)與工程學(xué)院;澳大利亞聯(lián)邦大學(xué)工程與信息科技學(xué)院;
【基金】：國(guó)家自然科學(xué)基金青年基金項(xiàng)目(51208294) 上海市研究生教育創(chuàng)新計(jì)劃項(xiàng)目(20131129) 上海市教委科研創(chuàng)新項(xiàng)目(15ZZ081)~~
【分類(lèi)號(hào)】：O347.7

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1 李波;王鐵良;欒茂田;孫殿暉;;靜力觸探工作特性的參數(shù)化大變形彈塑性數(shù)值分析[J];沈陽(yáng)農(nóng)業(yè)大學(xué)學(xué)報(bào);2009年01期

本文編號(hào)：2516690