基于离散元的贯入仪数值模拟研究

发布时间：2020-12-24 05:54

　　贯入仪虽然已经在岩土工程、地质工程等领域得到广泛应用,但对贯入仪影响因素和机理方面缺乏系统研究。目前,贯入问题在实际的应用过程中受到粒径分布的改变、颗粒堆积密实度、不同角度的贯入仪等因素影响,使得在贯入过程中会引起颗粒之间发生不同的变化。为加深对贯入仪在颗粒材料中特性的认识,分析贯入仪随着角度和颗粒尺寸改变,其位移、应力、热量和能量的变化规律。本论文使用离散元MatDEM软件对不同角度贯入仪贯入不同颗粒尺寸玻璃珠的过程进行了数值模拟。首先,基于离散元相关理论,介绍了三维紧密堆积模型的力学性质,包括四面体单元的变形、杨氏模量、抗拉强度、泊松比、抗压强度及离散元数值模拟方法。其次,编写代码建立30°、45°、60°和180°不同角度贯入仪,圆柱形样品容器。接着,生成5mm、10mm、和20mm块体样品且切割成圆柱体样品,并放入圆柱形样品容器中。然后,进行材料训练、平衡模型和荷载设置,中间包括自动测试、迭代计算、标准平衡、强胶结平衡、模型参数的初始化等。最后,将所有结构体导入模拟箱进行离散元数值模拟研究。结合不同颗粒尺寸样品分析贯入仪贯入时,颗粒之间相互作用以及重力势能、弹性势能、动能和总能... 

【文章来源】：兰州大学甘肃省 211工程院校 985工程院校 教育部直属院校

【文章页数】：63 页

【学位级别】：硕士

【部分图文】：

梨形状示意图

兰州大学硕士学位论文基于离散元的贯入仪数值模拟研究71.3研究内容和技术路线本文首先进行文献调研分析，把握贯入仪在岩土勘察等行业前沿，随后利用离散元软件MatDEM编写不同角度贯入仪和圆形仪器，结合不同颗粒尺寸样品分析不同角度贯入仪贯入时，颗粒之间的变化规律。具体内容如下：（1）通过宏微观的转换以及二次开发，构造不同角度的贯入仪、圆形样品容器。（2）建立贯入仪数值模拟的三部分，通过材料训练、平衡模型、荷载设置进行数值模拟研究。（3）基于离散元法研究不同角度贯入仪贯入时，研究不同颗粒尺寸位移、应力、热量、重力势能、弹性势能、动能和总能量的变化规律。本论文通过建立数值模型，为室内试验提供合理的指导，技术路线如图1-2所示。图1-2技术路线图

兰州大学硕士学位论文基于离散元的贯入仪数值模拟研究9图2-1线弹性模型示意图[70]通过切向弹簧来模拟颗粒间的剪切力和剪切变形式中，为切向刚度；为切向位移。=(2-2)同样地，弹簧在切向上也存在破坏准则，基于莫尔-库伦准则：=(2-3)式中为最大剪切力，为颗粒间的抗剪力，为颗粒间的摩擦系数。在莫尔-库伦准则里，单元件最大抗剪力与初始抗剪力相关，法向压力越大，抗剪力也越大。当切向力超过最大剪切力的时，切向连接断裂，此时颗粒间只存在滑动摩擦力。在数值模拟中，通过引入法向弹簧与切向弹簧来等效真实世界中砂砾等沉积物沉积成岩时颗粒之间存在的胶结，如铁质胶结等。因此，在数值模拟中，当发现该弹簧断裂时，对应真实世界中胶结也断裂。此时，切向弹簧也应断开，反之亦然。通过线弹性接触定义的单元，其堆积模型具有整体的弹性特征，如果要模拟材料的弹塑性、蠕变等特性，则需要定义不同的接触模型[16]。2.2三维紧密堆积模型的力学性质2.2.1四面体单元的变形如图2-2（a）所示，四个相同的颗粒堆积连接构成的四面体。在图2-2（b）中，固定颗粒2、3、4的Z坐标，用以模拟平滑刚性边界。在颗粒1上施加Z方向上的微小外力，其产生竖直向上的微小位移。受颗粒1拉力的作用，颗粒2、3、4向等边三角形BCD中心移动。由于单元体是中心对称的，颗粒1与底部的三个颗粒间的法向位移和切向位移一致，底部颗粒间的相对位移和作用力也相同。当作用力和位移很小时，四面体的变形有解析解[70]。


本文编号：2935109