颗粒物质冲击损伤特性研究

发布时间：2019-11-30 06:12

【摘要】：在离散元(DEM)模拟过程中,颗粒物质的接触刚度对模拟结果有重要影响,而构成颗粒物质的材料本身存在大量的微观缺陷,由于在颗粒物质运动过程中反复冲击接触作用,必然导致颗粒物质内部微观缺陷的扩展和融合,使得颗粒物质的物理力学性质不断劣化,具体表现为接触刚度不断降低,直至发生冲击破碎。如何在离散元模拟过程中考虑颗粒物质的冲击损伤特性具有重要意义;以Hertz弹性接触力学为基础,结合连续损伤理论,定义了颗粒物质冲击损伤变量,建立了颗粒物质冲击损伤演化方程,提出了冲击损伤累积确定方法。结果表明:较小的冲击速度可以导致颗粒物质产生损伤,损失累积弱化了颗粒物质的接触刚度,损伤累积可导致颗粒破碎,在离散元模拟过程中应考虑颗粒物质的损伤累积。
【图文】：

冲击损伤,概念模型,颗粒物质

旧泶?在大量的微观缺陷，在地质灾害快速运动过程中，岩块之间相互碰撞必然导致岩体内微观缺陷的萌生、扩展和融合，，使得岩块的物理力学性质不断劣化，刚度不断降低，直至发生冲击破碎。而岩块的刚度退化与冲击破碎又将显著地影响地质灾害本身的运动和堆积，因此，在采用离散元模拟地质灾害运动时如何考虑颗粒物质的这些特性就非常重要。TAVAＲES等［13－16］在岩石的冲击损伤研究方面做了较多开创性工作，包括冲击损伤的定义、冲击损伤演化方程以及冲击损伤试验等，并提出了颗粒物质多次冲击损伤演化概念模型(如图1)。图1冲击损伤演化概念模型Fig．1Theimpactdamageevolutionmodel不同于ZHANG等的弹塑性接触模型，我们采用损伤理论方法来研究颗粒物质的冲击碰撞特性，将颗粒物质的非线性接触碰撞看成是颗粒物质的损伤演化过程。以Hertz接触力学为基础，结合连续损伤理论，定义了颗粒物质冲击损伤变量，构建了新的颗粒物质冲击损伤演化方程，提出颗粒物质冲击损伤累积计算方法。在此基础上提出颗粒物质冲击损伤速度与冲击破碎判据，为进一步改进离散元模拟、提升离散元数值计算精度提供一条可行的途径。1Hertz接触理论考虑如图2所示两个球体颗粒物质的弹性接触问题，根据Hertz理论，接触面是半径为a的圆形面，给出了两个颗粒材料在法向压力P作用下弹性接触问题的完备解［17］。图2Hertz接触问题Fig．2ContactproblemofHertz接触面上压力分布:p(r)=3P2πa21－r()a[]21/2(1)式中:p(r)为接触压应力;P为接触压力;a为接触半径;最大接触应力位于r=0处:pmax=3P2πa2(2)接触变形量δ与接触半径a之间有如下关系:a2=Ｒδ(3)式中:Ｒ为等效半径，按下式计算:1Ｒ=1Ｒ

接触问题,颗粒物质

帕?物质的非线性接触碰撞看成是颗粒物质的损伤演化过程。以Hertz接触力学为基础，结合连续损伤理论，定义了颗粒物质冲击损伤变量，构建了新的颗粒物质冲击损伤演化方程，提出颗粒物质冲击损伤累积计算方法。在此基础上提出颗粒物质冲击损伤速度与冲击破碎判据，为进一步改进离散元模拟、提升离散元数值计算精度提供一条可行的途径。1Hertz接触理论考虑如图2所示两个球体颗粒物质的弹性接触问题，根据Hertz理论，接触面是半径为a的圆形面，给出了两个颗粒材料在法向压力P作用下弹性接触问题的完备解［17］。图2Hertz接触问题Fig．2ContactproblemofHertz接触面上压力分布:p(r)=3P2πa21－r()a[]21/2(1)式中:p(r)为接触压应力;P为接触压力;a为接触半径;最大接触应力位于r=0处:pmax=3P2πa2(2)接触变形量δ与接触半径a之间有如下关系:a2=Ｒδ(3)式中:Ｒ为等效半径，按下式计算:1Ｒ=1Ｒ1+1Ｒ2Ｒ1、Ｒ2分别为两个颗粒的半径。接触压力与接触位移之间的关系为:P=43EＲ12δ32(4)式中:E为等效弹性模量。1E=1－ν21E1+1－ν22E2;E1、ν1、E2、ν2分别为两个颗粒体各自的弹性模量和泊松比。2Tavares＆King颗粒冲击损伤模型为了研究颗粒物质反复冲击碰撞过程中物理力学性质弱化机理与冲击破碎效应，Tavares＆King(2002)、Tavares(2009)以连续损伤理论和Hertz接触理论为基础，结合球形颗粒物质在冲击荷载下的荷载－变形响应特性构建了颗粒物质冲击损伤理论模型。P=d0．53i莐δ32(5)式中:d为颗粒物质的直径，i莐为有效刚度。i莐=(1－D)k(6)式中:D为颗粒物质的

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