在球體離散元數(shù)值模擬中,顆粒的初始排列狀態(tài)是影響計(jì)算效率和計(jì)算結(jié)果的重要環(huán)節(jié)。本文采用前進(jìn)面幾何構(gòu)造算法,提出了一種基于網(wǎng)格搜索的球形顆粒隨機(jī)排列高效算法。通過求解空間三邊方程,滿足了粒徑設(shè)置的任意大小的顆粒依次置入前進(jìn)面的外側(cè),并與構(gòu)成前進(jìn)面的三個(gè)顆粒相互接觸。為獲得高體積分?jǐn)?shù)的顆粒簇,該算法允許顆粒改變其粒徑大小。采用顆粒網(wǎng)格化方法可以簡(jiǎn)化前進(jìn)面的搜索,并由此提高排列效率。通過計(jì)算平均配位數(shù)、體積分?jǐn)?shù)和二階結(jié)構(gòu)張量的特征值,對(duì)不同粒徑比下得到的立方體試樣進(jìn)行了分析,得到試樣配位數(shù)及體積分?jǐn)?shù)均隨著粒徑比的增大而增大,且得到的試樣為各向同性。此外,空間網(wǎng)格的大小和初始顆粒的生成點(diǎn)對(duì)隨機(jī)排列的效率均會(huì)產(chǎn)生顯著的影響。最后,對(duì)非規(guī)則鐵路道砟進(jìn)行了精細(xì)構(gòu)造及壓碎模擬,發(fā)現(xiàn)DEM模擬得到的應(yīng)力-應(yīng)變曲線與試驗(yàn)結(jié)果基本吻合,驗(yàn)證了該算法得到的顆粒試樣在模擬道砟裂紋起裂、擴(kuò)展等過程的有效性。 

【文章來源】：應(yīng)用力學(xué)學(xué)報(bào). 2020,37(02)北大核心CSCD

【文章頁(yè)數(shù)】：9 頁(yè)

【部分圖文】：

道砟顆粒壓碎試驗(yàn)Fig.12ThecompressionalbreakagetestofrailwayballastparticleDEM11(c)

第2期李勇俊，等：基于球形顆粒幾何排列的離散元試樣高效生成方法475行，道砟顆粒與上下板接觸點(diǎn)附近應(yīng)力值最大，部分顆粒間黏結(jié)鍵發(fā)生斷裂；隨著載荷的持續(xù)增加，道砟內(nèi)部裂紋逐漸擴(kuò)展，最終貫穿整個(gè)道砟并完全破碎，其最終的破壞形式與圖12所示對(duì)應(yīng)的真實(shí)道砟壓碎后的形態(tài)相似。道砟壓縮破碎模擬過程中應(yīng)力隨應(yīng)變的變化過程如圖13實(shí)線所示�？芍�，在離散元模擬中，加載初期應(yīng)力-應(yīng)變曲線有一個(gè)振蕩的過程，說明道砟顆粒經(jīng)過了小段時(shí)間的翻轉(zhuǎn)穩(wěn)定過程。此后隨著應(yīng)變的增加，道砟承受的應(yīng)力也逐漸增加，并在=0.0278時(shí)達(dá)到峰值，發(fā)生整體性的破碎。DEM數(shù)值模擬得到的應(yīng)力-應(yīng)變曲線與試驗(yàn)數(shù)據(jù)基本吻合，這表明利用本文算法得到的非規(guī)則道砟顆粒在離散元數(shù)值模擬中可以較好地模擬脆性材料的破壞過程。圖13道砟顆粒壓碎試驗(yàn)及DEM模擬的應(yīng)力-應(yīng)變曲線Fig.13Thestress-straincurveofballastcrushingtestanditscorrespondingcurvesimulatedwithDEMε=0.0ε=0.0257ε=0.0278ε=0.03圖14道砟顆粒壓碎及其力鏈演變過程的離散元模擬Fig.14TheevolutionprocessofballastcrushingundercompressionanditscorrespondingforcechainssimulatedwithDEM5結(jié)論為快速生成任意形態(tài)、各向同性的離散元顆粒試樣，本文提出了一種基于前進(jìn)面法和空間網(wǎng)格法的球形顆粒隨機(jī)排列幾何算法�；陬w粒排列的數(shù)值結(jié)果可得到以下結(jié)論。1)空間網(wǎng)格法簡(jiǎn)化了排列過程中前進(jìn)面的搜索，有效提高了幾何排列的效率。2)對(duì)立方體標(biāo)準(zhǔn)排列試樣的平均配位數(shù)、體積分?jǐn)?shù)和結(jié)構(gòu)對(duì)稱性進(jìn)行了分析，得到了排列試樣的配位數(shù)及體積分?jǐn)?shù)均隨著粒徑比的增加而增加，且由本文算法得到的顆

的過程，說明道砟顆粒經(jīng)過了小段時(shí)間的翻轉(zhuǎn)穩(wěn)定過程。此后隨著應(yīng)變的增加，道砟承受的應(yīng)力也逐漸增加，并在=0.0278時(shí)達(dá)到峰值，發(fā)生整體性的破碎。DEM數(shù)值模擬得到的應(yīng)力-應(yīng)變曲線與試驗(yàn)數(shù)據(jù)基本吻合，這表明利用本文算法得到的非規(guī)則道砟顆粒在離散元數(shù)值模擬中可以較好地模擬脆性材料的破壞過程。圖13道砟顆粒壓碎試驗(yàn)及DEM模擬的應(yīng)力-應(yīng)變曲線Fig.13Thestress-straincurveofballastcrushingtestanditscorrespondingcurvesimulatedwithDEMε=0.0ε=0.0257ε=0.0278ε=0.03圖14道砟顆粒壓碎及其力鏈演變過程的離散元模擬Fig.14TheevolutionprocessofballastcrushingundercompressionanditscorrespondingforcechainssimulatedwithDEM5結(jié)論為快速生成任意形態(tài)、各向同性的離散元顆粒試樣，本文提出了一種基于前進(jìn)面法和空間網(wǎng)格法的球形顆粒隨機(jī)排列幾何算法。基于顆粒排列的數(shù)值結(jié)果可得到以下結(jié)論。1)空間網(wǎng)格法簡(jiǎn)化了排列過程中前進(jìn)面的搜索，有效提高了幾何排列的效率。2)對(duì)立方體標(biāo)準(zhǔn)排列試樣的平均配位數(shù)、體積分?jǐn)?shù)和結(jié)構(gòu)對(duì)稱性進(jìn)行了分析，得到了排列試樣的配位數(shù)及體積分?jǐn)?shù)均隨著粒徑比的增加而增加，且由本文算法得到的顆粒試樣是各向同性的。3)分析了不同網(wǎng)格比和初始顆粒生成點(diǎn)對(duì)幾何排列效率的影響，得到立方體排列試樣的最佳網(wǎng)格比k[1.0,1.5]，初始生成點(diǎn)向幾何邊界移動(dòng)，排列效率逐漸提高。4)對(duì)非規(guī)則道砟進(jìn)行了精細(xì)構(gòu)造，并進(jìn)行了壓碎離散元數(shù)值模擬。通過對(duì)比分析表明，DEM數(shù)值模擬得到的應(yīng)力-應(yīng)變曲線與試驗(yàn)數(shù)據(jù)基本吻合，說明本文算法得到的顆粒試樣可以較好地對(duì)脆性材料的斷裂過程進(jìn)行模擬。參考文?

【參考文獻(xiàn)】：
期刊論文
[1]應(yīng)力歷史對(duì)顆粒材料強(qiáng)度和變形特征影響的離散元模擬[J]. 任靈,楚錫華,周倫倫,徐遠(yuǎn)杰.  應(yīng)用力學(xué)學(xué)報(bào). 2017(02)
[2]散體物料運(yùn)輸過程中緊急剎車的數(shù)值模擬研究[J]. 柯春海,張浩,岳孝強(qiáng),馮春生,舒適,譚援強(qiáng).  應(yīng)用力學(xué)學(xué)報(bào). 2015(05)
[3]鐵路碎石道砟靜態(tài)壓碎行為數(shù)值模擬[J]. 張徐,趙春發(fā),翟婉明.  西南交通大學(xué)學(xué)報(bào). 2015(01)
[4]基于顆粒離散單元法的獲取任意相對(duì)密實(shí)度下級(jí)配顆粒堆積體的數(shù)值方法[J]. 黃青富,詹美禮,盛金昌,羅玉龍,張霞.  巖土工程學(xué)報(bào). 2015(03)
[5]巖石微觀膠結(jié)模型及離散元數(shù)值仿真方法初探[J]. 蔣明鏡,陳賀,劉芳.  巖石力學(xué)與工程學(xué)報(bào). 2013(01)
[6]鐵路道床振動(dòng)特性的三維離散元分析[J]. 肖宏,高亮,侯博文.  鐵道工程學(xué)報(bào). 2009(09)



本文編號(hào)：3600233