考虑颗粒形状的堆石体缩尺效应研究

发布时间：2018-02-12 16:46

本文关键词： 离散单元法堆石体颗粒形状最小粒径缩尺方法　出处：《武汉大学》2017年硕士论文　论文类型：学位论文

【摘要】：颗粒状材料被广泛应用于生活生产和工程建设之中,范围包括农业、制药业、机械制造业、食品制造业、采矿业以及建筑工程行业等,由于其应用前景广阔,对其材料性质的研究一直被诸多科研人员所重视。堆石体材料作为一种典型的颗粒材料,其力学特性受到例如颗粒形状、级配以及材料自身性质等诸多因素的影响,随着我国高堆石坝工程建设的不断发展,对其主要筑坝材料之一——堆石体材料力学特性的研究提出了更高的要求。离散单元法是从细观尺度研究不连续介质的有效数值模拟方法,基本思想是将不连续介质离散成独立的颗粒单元并模拟颗粒之间的相互作用,不仅避免了有限元方法中复杂的本构关系,还弥补了室内试验需要大量人力物力的不足。为了深入研究堆石体的力学行为,并从细观机理上对其进行合理分析,目前国内外很多关于堆石体力学特性的研究都采用了离散单元法。堆石料的力学特性受颗粒形状的影响较为显著,但是基于离散单元法的数值模拟软件中采用的基本单元通常是圆形颗粒,无法代表复杂多样的堆石体颗粒形状。为此本文借助有限元网格划分技术,提出了一种复杂形状颗粒的离散元模拟方法,实现了包括了凹多边形在内的不规则随机多边形颗粒模拟,研究了不同颗粒形状对颗粒集合体力学特性的影响,并从细观角度对其进行了分析。以离散元数值分析软件为工具对堆石体进行研究时,考虑到计算机的运行速度和计算容量,对试样的颗粒数目会有一定限制,通常无法完全按照给定级配生成颗粒。对此,常用的方法是将级配曲线中小于某一粒径的细小颗粒采用该粒径颗粒进行等体积替换,该方法实际上改变了级配分布,导致数值计算的结果会受到一定影响。本文基于二维离散元程序PFC2D,对同一级配曲线在不同最小粒径处进行截断,并采用两种压实度控制标准,结合本文提出的不规则颗粒形状生成方法,得到五种最小粒径不同的不规则多边形堆石颗粒试样。对其模拟双轴压缩试验,研究了最小粒径截距对不规则形状堆石体强度变形特性的影响,为离散元数值模拟中采用等体积替换法时替换粒径的选取提供了有效参考。由于受到试验仪器尺寸的限制,研究堆石体力学特性的室内试验需要对堆石体材料进行缩尺,缩尺后的试样由于颗粒大小、形状和级配组成均发生了改变,导致力学特性与原级配堆石料产生的差异即为缩尺效应。采用室内试验研究缩尺效应需要耗费许多人力和物力,而且影响堆石体缩尺效应的因素繁多,室内试验很难保证试验条件完全相同,会对试验结果产生一定影响。本文采用离散元数值模拟方法,分别用等量替代法、混合法、相似级配法对堆石料原级配进行缩尺,研究了不同颗粒级配分布的分形特性。分别生成不考虑颗粒形状的圆盘形堆石颗粒试样和不规则多边形堆石颗粒试样,研究采用不同缩尺方法缩制得到试样的强度变形特性之间的差异,分析了颗粒形状因素对试验结果的影响,并建立了各组试样的分形特性与力学参数之间的拟合关系,为研究缩尺方法对力学特性的影响提供了有效参考。
[Abstract]:In order to study the mechanical properties of rockfill materials , this paper proposes a discrete element method to study the mechanical properties of rockfill materials . In this paper , the fractal characteristics of different particle size distribution are studied by the method of similarity grading , and the fractal characteristics of different particle size distribution are studied . The difference between the strength and deformation characteristics of the specimens is obtained by using different scale methods . The fitting relation between the fractal characteristics and the mechanical parameters of each group is established , which provides an effective reference for the study of the effect of the scale method on the mechanical properties .

【学位授予单位】：武汉大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2017
【分类号】：TV41

【参考文献】