离散元方法

摘要： 宏观颗粒体系的有序堆积研究可以为热系统中微观粒子的自组装提供研究模型,也有助于工业生产中提高颗粒材料的填充率.实验发现圆筒中的圆角立方体颗粒受容器往复旋转剪切作用会实现有序堆积.为探究旋转圆筒中立方体颗粒有序堆积过程的内部结构演化过程和动力学机理,采用超二次曲面方程构造了圆角立方体颗粒,基于离散元方法对旋转剪切作用下圆角立方体颗粒有序堆积过程开展数值模拟研究.模拟复现了实验中立方体颗粒从随机堆积状态向有序致密堆积状态转变的过程,给出了体积分数和有序度参数在容器不同运动条件下随旋转次数增加的变化规律.结果表明,立方体颗粒的体积分数和有序度表现为随着容器旋转次数增加而逐渐增大直至稳定的变化趋势.体系的有序堆积过程由外层颗粒开始逐渐向内部颗粒扩展.通过调控容器旋转角位移发现颗粒完成有序堆积过程所需的特征旋转次数与容器旋转角位移呈现反比例关系.旋转角位移过低,体系只会形成两种颗粒团簇共存的结构,即某一面平行容器底面的颗粒团簇与面对角线平行重力方向的颗粒团簇共存.研究也发现在亚重力环境下立方体颗粒同样可以通过容器的旋转实现有序堆积.重力加速度的减少会抑制立方体颗粒从无序堆积向有序堆积的转变.

摘要： 浮冰是船舶极地冰区航行遇到的一种典型冰况.文中运用商业离散元软EDEM,对冰块进行动力学建模,考虑流体作用对浮冰的影响,对“雪龙号”船模在不同航速、密集度、厚度和尺寸大小条件下的直航运动进行模拟,计算了不同工况条件下的冰阻力大小,并分析了不同航速和不同浮冰参数下冰阻力的特性.结果表明:冰阻力变化趋势随航速增加而增大,但增长趋势减缓;随密集度增加而增大,在高密集度时,增长趋势明显;随厚度的增加而呈线性增大;随浮冰边长的增加而增大,当边长大于0.2 m时,冰阻力保持不变.

摘要： 竖直振动激励下颗粒毛细上升现象为颗粒物料的提升、输运和采集提供了一种全新的技术路径.然而,已有颗粒毛细上升行为研究仍存在明显不足,特别是缺乏对重力加速度、水平振动分量、颗粒粒径分布影响的深入探究.针对这些问题,采用离散元方法,对不同操作条件下颗粒毛细上升现象开展数值模拟研究,并对颗粒最终毛细上升高度和平均毛细上升速度进行计算分析.结果表明,在低重力条件下,颗粒毛细效应仍能发生,颗粒最终毛细上升高度和平均毛细上升速度随重力加速度均呈现先增加后减小的趋势;颗粒最终毛细上升高度对水平振动分量的变化不敏感,而平均毛细上升速度随水平振动分量的增大而增加;在平均粒径相等的情况下,粒径服从高斯分布的颗粒比单一粒径颗粒的最终毛细上升高度最大值对应的临界管径更大,并且同处于堵塞效应影响的管径区域时平均毛细上升速度也更快.

摘要： 本文采用二维离散元法模拟碎冰与船舶的相互作用。运用海冰粘弹性的Kelvin模型,结合船舶与碎冰的耦合运动,通过Newmark法求解三自由度船舶运动方程,计算船舶航行于碎冰区的碎冰载荷。与相关文献进行对比,验证本文数值模型的可行性。研究海冰不同的弹簧系数、粘性阻尼系数与摩擦系数对碎冰载荷的影响。结果表明:二维离散元数值模拟满足计算要求;相比于粘性阻尼系数,弹簧系数与摩擦系数对碎冰载荷影响更显著。本文的研究可为极地船舶碎冰阻力设计和船模实验提供理论帮助。

摘要： 基于离散元方法,采用三维扫描技术获得粗骨料真实形态,并通过黏结颗粒模型实现粗骨料破碎,构建混凝土粗骨料-砂浆-ITZ的三相离散元模型,从细观层次探究粗骨料破碎对混凝土变形和破坏特性的影响.结果表明:含有不同可破碎粗骨料质量分数的混凝土应力应变曲线变化趋势基本相同,峰值应力和峰值应变整体上随可破碎粗骨料质量分数的增加而减少;粗骨料的破碎会影响混凝土的抗压强度,随着可破碎粗骨料质量分数的增加,混凝土抗压强度先短暂上升而后迅速下降,达到临界值32%后,混凝土抗压强度基本不变;从细观角度解释了裂缝不仅沿着ITZ拓展,还存在贯穿粗骨料的现象.

摘要： 应用离散元方法(Discrete elementmethod,DEM)仿真矿石破碎时,通常采用颗粒黏结模型对矿石进行建模,颗粒黏结模型中的基础颗粒粒径对仿真结果影响显著。为了研究基础颗粒粒径变化对模型精度的影响,本文设计了9组基础颗粒粒径组合,构建了矿石的颗粒黏结模型,进行了金矿石破碎的离散元仿真,得到了不同粒径组合下的破碎粒度分布,并将仿真结果与试验得到的破碎粒度分布进行了对比分析。结果表明:基础颗粒粒径组合对模型精度存在影响,采用适当的基础颗粒粒径组合构造颗粒黏结模型能够提高模型精度。当基础颗粒粒径之间的差值相当时,模型精度较高,仿真得到的破碎粒度分布和落重试验结果的一致性良好。对相同粒度的铁矿石与铜矿石进行了仿真,验证了基础颗粒粒径选取方法的有效性。

摘要： 多面体模型理论上可构造任意颗粒形态,然而受单元接触算法的限制,仅用于凸形颗粒材料的离散元模拟。对于具有凹形特征的多面体单元,单个接触点的搜索算法难以精确计算单元间的作用力。考虑多面体单元间存在单个或多个接触点的计算特性,本文发展了适用于凸形和凹形多面体颗粒材料的水平集函数接触算法。该方法通过点-三角形单元距离计算方法和奇-偶数判定方法建立多面体单元的零水平集函数和空间水平集函数,并对水平集函数进行三线性插值,可得到多面体单元间的单个或多个接触点。为检验水平集函数接触算法的可靠性,对球形和凹形多面体颗粒材料的堆积和倒塌过程进行离散元模拟,并分析颗粒形状对堆积密度和休止角的影响规律。

摘要： 颗粒材料是由大量形态各异的固体颗粒相互作用组成的复杂体系,其在不同运动状态、约束条件、流体介质及工程结构的耦合作用下呈现出复杂的力学行为。作为解决颗粒材料力学问题的有力工具,离散元方法从20世纪70年代建立并逐步应用于不同的工程领域,同时该方法伴随着相关学科和计算机技术的发展而不断完善。

摘要： 泥质夹层引发的滑坡灾害不仅破坏建筑物、耕地和道路,还严重危害人类的生命安全。为了研究泥化夹层微结构的特点和细观渐进破坏规律及泥化夹层强度,通过X射线衍射(XRD)分析了华东苏南地区4个边坡共8种试样的矿物成分,并通过反复直剪强度试验(RDST)研究了各组试样的强度特征。结果表明,高岭石含量较高的泥化夹层表现为延性破坏模式,剪切过程中没有明显的残余强度。用扫描电子显微镜(SEM)观察了不同剪切位移后试样剪切面上矿物颗粒的排列情况。结果表明,随着剪切位移的增大,剪切面上的矿物颗粒呈现出更具方向性的排列。在此基础上,通过数值试验研究了剪切方向对矿物颗粒全定向排列的泥化夹层数值模型的影响,并提出了四种剪切强度机理。根据数值试验的结果,在剪切机理中论述了矿物排列方向对抗剪强度中剪胀分量作用时机及其相对大小的影响。

摘要： 极地船舶操纵破冰性能是破冰船设计建造过程中需重点考虑的问题。为分析极地船舶操纵性能,本文发展了冰区船舶六自由度操纵破冰运动模型,采用扩展多面体离散元模拟海冰,舵桨操纵模型提供破冰力。开展平整冰区定常直航模拟计算,并与Lindqvist船体冰阻力经验公式展开对比验证;开展雪龙号敞水35°舵角操纵性仿真,并与实船试航结果进行对比。在此基础上,开展冰厚及舵角影响下的船体结构冰载荷及破冰轨迹计算,模拟得到操纵破冰航行中船体垂荡、横摇及纵摇运动时程;最后分析操纵破冰船体线载荷分布与直航破冰下的差异。

摘要： 堰塞坝坝体材料的力学特性对其稳定性具有重要的影响.本文基于离散元方法(DEM),开展不同密实度及颗粒级配(细粒材料和粗粒材料)下坝体材料的直剪试验.从材料应力-应变曲线(宏观)及内部应力(微观)等信息方面,揭示坝体材料的力学特性.结果表明,宏观角度方面,随着坝体材料密实度的增大,峰值强度均有增强,粗颗粒材料尤为明显;对于不同颗粒级配的材料,细粒材料的应力-应变曲线呈现出明显的应变硬化和剪缩特性,而粗粒材料表现为应变软化和剪胀特性.微观角度方面,材料内部主应力的方向随着剪切位移的增加而逐渐发生偏移,且内部力链逐渐集中,进而内部剪切带逐渐发展.材料的颗粒级配决定了内部接触力的分布以及传递模式,粗粒材料中应力的分布主要沿骨架颗粒分布,细粒材料中为均匀分布;材料的密实度则影响材料内部颗粒间的接触形态,密实度越大越有利于颗粒间咬合力的传递,从而对内部应力及力链的大小均有不同程度增强.

摘要： 某电站坝址区地处深山峡谷,河谷边坡高陡,地应力水平较高,岩体卸荷强烈,并发育有断层、层间挤压带和深部裂缝.左岸坝肩开挖边坡的整体稳定性受拉裂变形体控制,边坡开挖稳定问题突出.为此,运用局部三维及真实三维离散元方法,对该开挖边坡进行变形分析,同时对变形体结构面在开挖过程中的变形响应进行研究.同时,在计算模型中对锚索进行数值模拟,并研究锚索在限制边坡变形中起到的作用,计算结果表明,局部三维模型中边坡在开挖完成后的横河向位移为64 mm,拉裂变形体底滑面f42-9剪切变形量值为74 mm,边坡呈现出明显的结构面控制效应.施加锚索后的边坡其横河向位移量值减少约2 mm,锚索横河向变形值约为48 mm.真实三维模型呈现出相似规律,因岩体侧向限制作用,边坡开挖完成后横河向位移略小.

摘要： 本文所述可离散有限元法是有限元法与离散元法的有机结合,可用来模拟准脆性材料连续体结构在外力作用下产生裂纹到破裂成离散子块的过程,摒弃了单一有限元或离散元方法在处理连续体到非连续体过渡的局限性.本文在可离散有限元理论的基础上进行了如下的研究工作:通过自适应网格算法中的网格密度控制技术,以及网格密度多重控制流程,成功应用在穿甲弹冲击准脆性复合装甲的数值模拟中.本文中创新点位于对软件中采用的Erosion算法和自适应网格技术进行了研究,成功地进行了高速冲击鍥入实验的数值模拟,得到了与实验结果相近的数据.

摘要： 采用离散元方法(DEM)对颗粒物质在竖直振动U形管中的动力学行为开展三维数值模拟.将数值模拟结果和文献中的实验结果进行对比,验证了数学模型和计算方法的准确性.在此基础上,对有、无摩擦情况下U形管两分支内颗粒动力学行为进行对比分析.结果表明,存在摩擦时,两分支内颗粒柱高度差逐渐增加,而后趋于稳定,两分支内颗粒存在截然不同的对流现象,因而两分支内颗粒的竖直方向平均速度分布差异很大;当颗粒与壁面间摩擦系数为0时,U形管两分支内颗粒柱高度差在0附近波动,不能形成稳定的高度差,左、右分支内存在类似的颗粒对流现象,颗粒的竖直方向平均速度较为接近;当颗粒与颗粒间摩擦系数为0时,U形管两分支高度差几乎为0,颗粒对流现象消失,U形管左、右分支内颗粒的竖直方向平均速度分布差异较大.

摘要： 利用离散元方法对颗粒材料的细观力学特性研究,目前确定数值计算模型的细观力学参数大多数通过反复调试获取,效率低、可重复性差.本文采用开源的颗粒离散元程序LMGC开展了土体双轴压缩数值试验,通过25组土体细观力学参数计算得到相应的宏观力学参数,建立了BP人工神经网络反演系统.利用土体物理试验得到的土体宏观力学参数,输入BP神经网络,反演得到土体的细观力学参数.将所得细观力学特性参数输入所建立的土体数值计算模型,得到土体破坏过程中的应力-应变关系曲线,以及土体颗粒的力链图和旋转变形云图.所建立的土体数值试验模型能够较好地模拟土体变形破坏过程,利用BP神经网络反演细观力学参数以及数值模型计算得到的土体宏观力学参数与物理试验吻合较好,误差在10％左右,土颗粒间力链云图以及旋转变形云图较好地揭示了土体变形破坏的机理.

摘要： 以山西凌志达煤矿15101工作面为工程背景,使用基于连续介质力学的离散元方法(CDEM)将开采过程与爆破工艺相结合,模拟坚硬顶板深孔预裂爆破对矿压及覆岩运动的影响.结果表明:15101采面原生顶板最大垮落步距达到40m,影响采面安全生产.采用深孔预裂爆破处理坚硬顶板以后,沿炮孔径向产生大量次生裂隙,破坏了坚硬顶板的完整性,工作面推进时初次来压步距减小,上覆岩层垮落范围减小,工作面来压强度大大减弱.经现场工程验证,采空区后方未出现大面积悬顶,工作面来压控制在了安全范围以内.

摘要： 基于连续介质力学的离散元方法(CDEM)是一种有限元与离散元相结合的计算方法,能够实现地质材料由连续到非连续的统一计算.利用CDEM方法对几个有代表性的岩层移动实例进行了数值模拟和分析,得到以下结论:CDEM方法能够计算煤岩体从连续变形到非连续破裂、垮落、堆积的整个过程,是分析煤矿采场矿压及覆岩运动规律的有力工具.分析了冲沟发育地层向坡开采和背坡开采条件下的岩层运动、坡体活动及矿压显现特征.向坡开采时由于开采后边坡岩体向坡面倾斜,边坡岩体活动范围和滑移量大.背坡开采时由于覆岩整体向坡面发生倾斜移动,在坡面以上部形成从地表贯穿全部覆岩层的竖向拉伸裂缝,边坡下开采时由于边坡岩体向坡面反向倾斜,边坡岩体滑动量相对较小.

摘要： 直剪颗粒体系会形成与定常流动液体类似的剪切带,弹性波在其中的传播有两种相反的观点:一种认为横波应不能在其中传播,另一种认为波的传播不受剪切带形成的影响.为澄清事实,本文用离散元方法模拟得到了不同正应力及剪切位移下纵横波通过直剪颗粒体系的波形,计算了波速,得到了比实验多且稳定的数据.结果表明波能够通过剪切带,波速随着剪切位移增大而减小,达到临界态后保持稳定,支持了相关实验结论.结合有效介质理论,在微观上对结果进行了定量解释.

摘要： 在高温堆运行的过程中,燃料元件不可避免地发生摩擦、碰撞而产生损耗.因此,研究球形燃料元件的摩擦磨损行为具有重要意义.本文采用DEM数值模拟方法对测量球形燃料元件磨损性能的装置进行模拟分析,为该装置装球量、转速等工艺参数的优化提供指导.

摘要： 在高温堆运行的过程中,燃料元件不可避免地发生摩擦、碰撞而产生损耗.因此,研究球形燃料元件的摩擦磨损行为具有重要意义.本文采用DEM数值模拟方法对测量球形燃料元件磨损性能的装置进行模拟分析,为该装置装球量、转速等工艺参数的优化提供指导.

摘要： 本发明公开了一种基于离散‑连续耦合的离散元虚拟压缩试验数值仿真方法，首先是建立离散元虚拟数值试验模型，然后利用离散元应力伺服原理，将数值试样伺服到初始固结应力状态，其次利用有限元单元替代侧向刚性墙体，建立离散‑连续耦合数值试验模型，最后施加试验围压与轴向加载速度，开展离散‑连续耦合虚拟数值压缩试验。与现有技术相比，本发明的虚拟数值压缩试验方法可以在试验中实现侧向围压的柔性施加，能够真实地模拟室内压缩试验。通过虚拟数值试验仿真实例，验证了本发明的基于离散‑连续耦合的离散元虚拟压缩试验仿真方法的优势性。

摘要： 本发明涉及一种涡轮榫槽喷丸离散元‑有限元耦合多尺度模拟方法，步骤为：(1)根据榫槽结构对称性对欲研究的榫槽结构进行切割，赋予高应变率本构模型；(2)根据实际工艺情况设置喷口与榫槽的相对位置，定义喷口尺寸、喷口角度，完成榫槽与喷口建模；(3)基于高应变率下应力应变数据获取位错演化模型参数，建立榫槽材料的位错演化模型，关联晶粒尺寸、位错密度与宏观应力应变；(4)利用DEM模块定义粒子生成器*Particle，设置弹丸参数，将榫槽与喷口进行组合，设置弹丸与榫槽之间接触特性；(5)进行数值仿真，获取榫槽结构强化之后表面完整性参数。

摘要： 本发明提供了基于有限元与离散元耦合的有砟轨道建模分析方法及系统，方法包括：根据有砟轨道的实际设计施工情况，将有砟轨道简化；获取各结构的真实几何参数建立有限元模型；根据各结构实际采用的材料和物理性能，对各有限元部件赋予材料属性和单元属性，并划分网格；根据各部件的实际约束状态设置相应的边界条件和自由面；施加结构荷载；将模型数据输出为INP文件；将需要被替换为离散颗粒道砟层的部分单独作为一个道砟层模型部件导出，并提取其几何参数，导入至离散元软件中；生成颗粒数据并进行处理；在INP文件中修改数据行，导入处理好的颗粒数据并创建节点集、单元集，定义颗粒属性，并创建接触属性与接触对，得到有砟轨道模型文件。

摘要： 本发明公开了一种有限元‑离散元耦合数值模拟程序(FDEM)输入参数快速标定方法，步骤如下：(1)采用单轴压缩、巴西劈裂和三轴压缩室内试验获得岩石宏观物理力学参数；(2)采用单轴压缩模拟试验峰前阶段曲线标定节理罚值Pf；(3)基于算法改进和单个节理单元压剪破坏标定法向接触刚度Pn；(4)采用单轴压缩模拟试验全过程曲线标定II型断裂能GII；(5)采用直接拉伸试验标定I型断裂能GI；(6)再次采用单轴压缩模拟试验标定切向接触刚度Pt；(7)采用三轴压缩、巴西劈裂和直接剪切模拟试验验算所标定参数的可靠性。本发明提出的标定方法效率高，消除了参数取值对网格尺寸的依赖性，能够适用于工程尺度的模拟。

摘要： 本发明提供了高铁无砟轨道基床表层渗蚀有限元‑离散元耦合评估方法，方法包括：获取车辆‑无砟轨道‑饱和路基系统动力有限元模型的初始水力梯度；计算第n‑1步孔隙率以及基床表层离散元模型的形变；调整车辆‑无砟轨道‑饱和路基系统动力有限元模型的底座板和基床表层接触参数、渗透系数，并计算第n步水力梯度；YADE软件计算n+1孔隙率以及基床表层离散元模型的形变；根据有限元模型的轨道路基等宏观响应参数判别孔隙率变化是否超出阈值并获取基床表层细颗粒损失动态全过程。本发明准确反映底座板与基床表层接触状况，获取基床翻浆冒泥病害细观过程，并将宏观与细观进行耦合评估，有助于高铁运营预警，保障行车安全。

摘要： 本发明公开了一种用于离散元计算即时估算离散介质密实度的方法及存储介质，其方法包括：选择N个代表性抛石，对代表性抛石进行三维轮廓扫描作为抛石体颗粒生成的模板；设置抛石体的投放区域，利用自重下落法随机生成抛石体颗粒，进行分层自重沉积，构成自然堆积的抛石体三维基床模型；采用锤夯/振动模拟方法对抛石体三维基床模型进行密实，在间隔时间或间隔时步内更新密实区域地表面貌的变化，估算出密实区域的局部密实度变化与整体区域的密实度变化。本发明通过设计工程的需求，在PFC3D计算平台中模拟荷载施加后对抛石体密实度的影响，利用密实度与荷载施加的模拟工艺参数的关系，来指导实际工程参数优化，提高工程实施工艺的合理性和准确性。

摘要： 本发明公开了一种基于离散‑连续耦合的离散元虚拟压缩试验数值仿真方法，首先是建立离散元虚拟数值试验模型，然后利用离散元应力伺服原理，将数值试样伺服到初始固结应力状态，其次利用有限元单元替代侧向刚性墙体，建立离散‑连续耦合数值试验模型，最后施加试验围压与轴向加载速度，开展离散‑连续耦合虚拟数值压缩试验。与现有技术相比，本发明的虚拟数值压缩试验方法可以在试验中实现侧向围压的柔性施加，能够真实地模拟室内压缩试验。通过虚拟数值试验仿真实例，验证了本发明的基于离散‑连续耦合的离散元虚拟压缩试验仿真方法的优势性。

摘要： 本发明公开了一种基于有限元‑离散元耦合的岩石破裂声发射模拟分析方法，通过获取岩石破裂时当前时间步的声发射数据，根据所述声发射数据获得声发射事件信息，所述声发射事件信息包括声发射事件的状态和声发射事件包含的微裂纹对应的微裂纹信息；基于声发射事件的微裂纹信息，获得所述状态为非激活态的声发射事件的破裂区域，计算所述破裂区域内的所有有限单元的节点力变化分量；基于所有的所述节点力变化分量，获得力矩张量；基于所述力矩张量，获得宏观裂纹的分析结果。与现有技术相比，能够区分裂纹的类型并确定裂纹的变形运动特征。

摘要： 本发明涉及一种离散元组合颗粒及其离散元堆积试验模拟方法，包括各种球形度的Clump颗粒，所述的Clump颗粒为由单元球A、单元球B、单元球C和单元球D四个单元球构成，所述的单元球A、单元球B、单元球C的半径相等，所述的单元球A、单元球B、单元球C以圆周分布方式排列于单元球D的四周，且单元球A、单元球B、单元球C均与单元球D相切或相交，所述Clump颗粒的球形度n的取值为0.33≤n≤1。本发明采用离散元方法开发Clump颗粒并进行了堆积试验模拟，可根据颗粒球形度统计结果直接采用实际颗粒的摩擦系数在离散元中模拟砂土颗粒的力学特征，避免了传统圆球颗粒使用严重偏大摩擦系数的缺陷，更逼近实际砂土的力学特性。

摘要： 本发明涉及一种离散元组合颗粒及其离散元堆积试验模拟方法，包括各种球形度的Clump颗粒，所述的Clump颗粒为由单元球A、单元球B、单元球C和单元球D四个单元球构成，所述的单元球A、单元球B、单元球C的半径相等，所述的单元球A、单元球B、单元球C以圆周分布方式排列于单元球D的四周，且单元球A、单元球B、单元球C均与单元球D相切或相交，所述Clump颗粒的球形度n的取值为0.33≤n≤1。本发明采用离散元方法开发Clump颗粒并进行了堆积试验模拟，可根据颗粒球形度统计结果直接采用实际颗粒的摩擦系数在离散元中模拟砂土颗粒的力学特征，避免了传统圆球颗粒使用严重偏大摩擦系数的缺陷，更逼近实际砂土的力学特性。