基于球形颗粒几何排列的离散元试样高效生成方法
发布时间：2022-01-21 12:09
在球体离散元数值模拟中,颗粒的初始排列状态是影响计算效率和计算结果的重要环节。本文采用前进面几何构造算法,提出了一种基于网格搜索的球形颗粒随机排列高效算法。通过求解空间三边方程,满足了粒径设置的任意大小的颗粒依次置入前进面的外侧,并与构成前进面的三个颗粒相互接触。为获得高体积分数的颗粒簇,该算法允许颗粒改变其粒径大小。采用颗粒网格化方法可以简化前进面的搜索,并由此提高排列效率。通过计算平均配位数、体积分数和二阶结构张量的特征值,对不同粒径比下得到的立方体试样进行了分析,得到试样配位数及体积分数均随着粒径比的增大而增大,且得到的试样为各向同性。此外,空间网格的大小和初始颗粒的生成点对随机排列的效率均会产生显著的影响。最后,对非规则铁路道砟进行了精细构造及压碎模拟,发现DEM模拟得到的应力-应变曲线与试验结果基本吻合,验证了该算法得到的颗粒试样在模拟道砟裂纹起裂、扩展等过程的有效性。
【文章来源】：应用力学学报. 2020,37(02)北大核心CSCD
【文章页数】：9 页
【部分图文】：
道砟颗粒压碎试验Fig.12ThecompressionalbreakagetestofrailwayballastparticleDEM11(c)
第2期李勇俊，等：基于球形颗粒几何排列的离散元试样高效生成方法475行，道砟颗粒与上下板接触点附近应力值最大，部分颗粒间黏结键发生断裂；随着载荷的持续增加，道砟内部裂纹逐渐扩展，最终贯穿整个道砟并完全破碎，其最终的破坏形式与图12所示对应的真实道砟压碎后的形态相似。道砟压缩破碎模拟过程中应力随应变的变化过程如图13实线所示。可知，在离散元模拟中，加载初期应力-应变曲线有一个振荡的过程，说明道砟颗粒经过了小段时间的翻转稳定过程。此后随着应变的增加，道砟承受的应力也逐渐增加，并在=0.0278时达到峰值，发生整体性的破碎。DEM数值模拟得到的应力-应变曲线与试验数据基本吻合，这表明利用本文算法得到的非规则道砟颗粒在离散元数值模拟中可以较好地模拟脆性材料的破坏过程。图13道砟颗粒压碎试验及DEM模拟的应力-应变曲线Fig.13Thestress-straincurveofballastcrushingtestanditscorrespondingcurvesimulatedwithDEMε=0.0ε=0.0257ε=0.0278ε=0.03图14道砟颗粒压碎及其力链演变过程的离散元模拟Fig.14TheevolutionprocessofballastcrushingundercompressionanditscorrespondingforcechainssimulatedwithDEM5结论为快速生成任意形态、各向同性的离散元颗粒试样，本文提出了一种基于前进面法和空间网格法的球形颗粒随机排列几何算法。基于颗粒排列的数值结果可得到以下结论。1)空间网格法简化了排列过程中前进面的搜索，有效提高了几何排列的效率。2)对立方体标准排列试样的平均配位数、体积分数和结构对称性进行了分析，得到了排列试样的配位数及体积分数均随着粒径比的增加而增加，且由本文算法得到的颗
的过程，说明道砟颗粒经过了小段时间的翻转稳定过程。此后随着应变的增加，道砟承受的应力也逐渐增加，并在=0.0278时达到峰值，发生整体性的破碎。DEM数值模拟得到的应力-应变曲线与试验数据基本吻合，这表明利用本文算法得到的非规则道砟颗粒在离散元数值模拟中可以较好地模拟脆性材料的破坏过程。图13道砟颗粒压碎试验及DEM模拟的应力-应变曲线Fig.13Thestress-straincurveofballastcrushingtestanditscorrespondingcurvesimulatedwithDEMε=0.0ε=0.0257ε=0.0278ε=0.03图14道砟颗粒压碎及其力链演变过程的离散元模拟Fig.14TheevolutionprocessofballastcrushingundercompressionanditscorrespondingforcechainssimulatedwithDEM5结论为快速生成任意形态、各向同性的离散元颗粒试样，本文提出了一种基于前进面法和空间网格法的球形颗粒随机排列几何算法。基于颗粒排列的数值结果可得到以下结论。1)空间网格法简化了排列过程中前进面的搜索，有效提高了几何排列的效率。2)对立方体标准排列试样的平均配位数、体积分数和结构对称性进行了分析，得到了排列试样的配位数及体积分数均随着粒径比的增加而增加，且由本文算法得到的颗粒试样是各向同性的。3)分析了不同网格比和初始颗粒生成点对几何排列效率的影响，得到立方体排列试样的最佳网格比k[1.0,1.5]，初始生成点向几何边界移动，排列效率逐渐提高。4)对非规则道砟进行了精细构造，并进行了压碎离散元数值模拟。通过对比分析表明，DEM数值模拟得到的应力-应变曲线与试验数据基本吻合，说明本文算法得到的颗粒试样可以较好地对脆性材料的断裂过程进行模拟。参考文?
【参考文献】：
期刊论文
[1]应力历史对颗粒材料强度和变形特征影响的离散元模拟[J]. 任灵,楚锡华,周伦伦,徐远杰. 应用力学学报. 2017(02)
[2]散体物料运输过程中紧急刹车的数值模拟研究[J]. 柯春海,张浩,岳孝强,冯春生,舒适,谭援强. 应用力学学报. 2015(05)
[3]铁路碎石道砟静态压碎行为数值模拟[J]. 张徐,赵春发,翟婉明. 西南交通大学学报. 2015(01)
[4]基于颗粒离散单元法的获取任意相对密实度下级配颗粒堆积体的数值方法[J]. 黄青富,詹美礼,盛金昌,罗玉龙,张霞. 岩土工程学报. 2015(03)
[5]岩石微观胶结模型及离散元数值仿真方法初探[J]. 蒋明镜,陈贺,刘芳. 岩石力学与工程学报. 2013(01)
[6]铁路道床振动特性的三维离散元分析[J]. 肖宏,高亮,侯博文. 铁道工程学报. 2009(09)
本文编号：3600233
【文章来源】：应用力学学报. 2020,37(02)北大核心CSCD
【文章页数】：9 页
【部分图文】：
道砟颗粒压碎试验Fig.12ThecompressionalbreakagetestofrailwayballastparticleDEM11(c)
第2期李勇俊，等：基于球形颗粒几何排列的离散元试样高效生成方法475行，道砟颗粒与上下板接触点附近应力值最大，部分颗粒间黏结键发生断裂；随着载荷的持续增加，道砟内部裂纹逐渐扩展，最终贯穿整个道砟并完全破碎，其最终的破坏形式与图12所示对应的真实道砟压碎后的形态相似。道砟压缩破碎模拟过程中应力随应变的变化过程如图13实线所示。可知，在离散元模拟中，加载初期应力-应变曲线有一个振荡的过程，说明道砟颗粒经过了小段时间的翻转稳定过程。此后随着应变的增加，道砟承受的应力也逐渐增加，并在=0.0278时达到峰值，发生整体性的破碎。DEM数值模拟得到的应力-应变曲线与试验数据基本吻合，这表明利用本文算法得到的非规则道砟颗粒在离散元数值模拟中可以较好地模拟脆性材料的破坏过程。图13道砟颗粒压碎试验及DEM模拟的应力-应变曲线Fig.13Thestress-straincurveofballastcrushingtestanditscorrespondingcurvesimulatedwithDEMε=0.0ε=0.0257ε=0.0278ε=0.03图14道砟颗粒压碎及其力链演变过程的离散元模拟Fig.14TheevolutionprocessofballastcrushingundercompressionanditscorrespondingforcechainssimulatedwithDEM5结论为快速生成任意形态、各向同性的离散元颗粒试样，本文提出了一种基于前进面法和空间网格法的球形颗粒随机排列几何算法。基于颗粒排列的数值结果可得到以下结论。1)空间网格法简化了排列过程中前进面的搜索，有效提高了几何排列的效率。2)对立方体标准排列试样的平均配位数、体积分数和结构对称性进行了分析，得到了排列试样的配位数及体积分数均随着粒径比的增加而增加，且由本文算法得到的颗
的过程，说明道砟颗粒经过了小段时间的翻转稳定过程。此后随着应变的增加，道砟承受的应力也逐渐增加，并在=0.0278时达到峰值，发生整体性的破碎。DEM数值模拟得到的应力-应变曲线与试验数据基本吻合，这表明利用本文算法得到的非规则道砟颗粒在离散元数值模拟中可以较好地模拟脆性材料的破坏过程。图13道砟颗粒压碎试验及DEM模拟的应力-应变曲线Fig.13Thestress-straincurveofballastcrushingtestanditscorrespondingcurvesimulatedwithDEMε=0.0ε=0.0257ε=0.0278ε=0.03图14道砟颗粒压碎及其力链演变过程的离散元模拟Fig.14TheevolutionprocessofballastcrushingundercompressionanditscorrespondingforcechainssimulatedwithDEM5结论为快速生成任意形态、各向同性的离散元颗粒试样，本文提出了一种基于前进面法和空间网格法的球形颗粒随机排列几何算法。基于颗粒排列的数值结果可得到以下结论。1)空间网格法简化了排列过程中前进面的搜索，有效提高了几何排列的效率。2)对立方体标准排列试样的平均配位数、体积分数和结构对称性进行了分析，得到了排列试样的配位数及体积分数均随着粒径比的增加而增加，且由本文算法得到的颗粒试样是各向同性的。3)分析了不同网格比和初始颗粒生成点对几何排列效率的影响，得到立方体排列试样的最佳网格比k[1.0,1.5]，初始生成点向几何边界移动，排列效率逐渐提高。4)对非规则道砟进行了精细构造，并进行了压碎离散元数值模拟。通过对比分析表明，DEM数值模拟得到的应力-应变曲线与试验数据基本吻合，说明本文算法得到的颗粒试样可以较好地对脆性材料的断裂过程进行模拟。参考文?
【参考文献】：
期刊论文
[1]应力历史对颗粒材料强度和变形特征影响的离散元模拟[J]. 任灵,楚锡华,周伦伦,徐远杰. 应用力学学报. 2017(02)
[2]散体物料运输过程中紧急刹车的数值模拟研究[J]. 柯春海,张浩,岳孝强,冯春生,舒适,谭援强. 应用力学学报. 2015(05)
[3]铁路碎石道砟静态压碎行为数值模拟[J]. 张徐,赵春发,翟婉明. 西南交通大学学报. 2015(01)
[4]基于颗粒离散单元法的获取任意相对密实度下级配颗粒堆积体的数值方法[J]. 黄青富,詹美礼,盛金昌,罗玉龙,张霞. 岩土工程学报. 2015(03)
[5]岩石微观胶结模型及离散元数值仿真方法初探[J]. 蒋明镜,陈贺,刘芳. 岩石力学与工程学报. 2013(01)
[6]铁路道床振动特性的三维离散元分析[J]. 肖宏,高亮,侯博文. 铁道工程学报. 2009(09)
本文编号：3600233
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