颗粒离散元

摘要： 颗粒材料的3维离散元数值模拟的可靠性取决于细观参数的合理标定。目前,对颗粒材料细观模拟参数的标定方法还缺少系统性的研究。本文通过对室内直剪试验和数值模拟的对比分析,揭示了碎石颗粒材料宏观力学参数与颗粒间细观参数的相关性,提出碎石颗粒材料数值模拟细观参数的标定方法,并验证该标定方法的合理性。结果表明:在线性模型中,碎石颗粒试样的宏观弹性常数与碎石的粒间法向接触刚度呈正相关,而对粒间切向接触刚度的变化不敏感;基于此提出的粒间接触刚度(法向、切向)标定方法,直剪数值模拟的剪应力–剪位移曲线计算结果与室内试验值吻合度较高,验证了该标定方法的可靠性及合理性。在直接剪切过程中,碎石颗粒内部力链网络随着剪位移的增加逐渐由垂直方向向剪切盒对角线方向偏转,随着颗粒的整体速度场变化而出现剪缩和剪胀现象;采用本文提出的细观参数标定方法对室内滑坡运动试验开展数值模拟,数值模拟的滑坡碎石堆积形态与室内试验结果基本一致,验证了该方法在堆积碎石滑坡模拟分析中的适用性。

摘要： 通过数字图像技术细致描述了闽东地区花岗岩残积土中砾石的颗粒形状特征,并通过簇颗粒在PFC数值平台上实现了砾石颗粒的二维重构。进而建立含砾花岗岩残积土的离散元数值模型,对现场大型直剪试验全过程展开细致的数值模拟,探讨了含砾花岗岩残积土的细观剪切特性。从细观颗粒的统计结果上看,球颗粒/簇颗粒的平均相对水平位移和平均转动量,均沿试样高程大致呈正态分布;对其进行正态曲线拟合,发现其剪切带中心并不在剪切面位置,而是略向上发生偏移;同时通过定义上下一个标准差精确计算剪切带宽度;上述剪切带中心偏移量和剪切带宽度均随竖向压力的增大而逐渐减小。另一方面,颗粒间接触力链的分析表明,强力链主要集中在砾石颗粒间;而细颗粒则填充试样孔隙,使得各颗粒间咬合更加充分;二者共同作用有利于形成较为稳定的强力链,增强了含砾花岗岩残积土的抗剪强度。

摘要： 降雨作用下杂填土边坡的稳定与介质构成、降雨作用过程、降雨强度等密切相关。本文基于颗粒离散元计算平台,利用多边形细观介质构造方法模拟骨架颗粒,建立了降雨作用简化等效作用力模型,探讨了降雨作用下杂填土边坡的滑坡机理。研究结果表明降雨影响可等效为3个过程,等效饱和层厚度内颗粒受沿着边坡向下的渗流力影响,饱和层随时间不断下渗并与地下水位汇合,地下水位提高引起渗流力作用;饱和层厚度增大、坡表饱和层水流速度偏大会加速滑坡的产生,含石率提高则介质抗剪强度提高,边坡稳定偏脆性;采用暴雨影响简化分析方法可考虑复杂的非饱和渗流过程,计算效率比考虑复杂渗流计算要高。研究结果可为杂填土复杂介质的滑坡过程经验分析与评估提供参考。

摘要： 以厦蓉高速改扩建工程为背景,按现场技术标准配置4组粉土填料试样,开展室内直剪试验,同时在PFC2D离散元平台上模拟试样的直剪试验全过程,探讨粉土填料的细观剪切特性。结果表明:随着剪应变增加,接触黏结破坏区域由剪切面附近点逐渐扩大为具有一定厚度的贯通条状带,使得粉土填料的抗剪强度下降,表现出应变软化特性。从统计结果上看,球颗粒的平均转动量和平均相对位移,均沿试样高度方向大致呈正态分布;对其进行正态曲线拟合,发现剪切带中心并不在设定剪切面位置,而是略微向上发生偏移;同时通过上下一个标准差的定义,可精确计算剪切带宽度。对比不同竖向压力下数值模拟的统计结果,发现剪切带宽度随竖向压力的增大略有减小,但剪切带中心偏移基本不变。

摘要： 土质路基高边坡稳定性问题一直困扰着岩土工作者,国家铁路及公路工程每年在路基高边坡治理方面花费巨大。结合京港澳高速公路小河段路基高边坡工程,基于颗粒离散元PFC^(2D),通过双轴标定试验,建立了细观参数与小河段路基高边坡土体宏观参数对应关系,将其引入到数值边坡模型,从大变形层面分析小河段边坡滑坡破坏特征及运动特征。研究分析发现:高边坡滑动过程呈现逐级差异破坏,边坡以上部土体出现拉裂开始,而后下部土体从坡脚剪出,最后中间土体不断出现拉裂纹,呈块体形态。

摘要： 以某煤矿受叠加支承压力强烈影响的锚杆索支护煤巷为背景,针对巷道大变形特征,以及颗粒离散元模拟方法缺少支护构件等问题,利用矩阵离散元软件MatDEM,建立叠加支承压力影响煤巷三维颗粒离散元模型。通过颗粒生成clump来模拟锚杆和锚索支护构件,研究叠加支承压力作用下的巷道围岩应力分布规律和变形特征。利用颗粒堆积方法,综合考虑支护体内部颗粒与颗粒之间以及支护体与外界颗粒之间的相互作用力,建立了MatDEM软件中颗粒堆积型锚杆和锚索模型。研究表明:煤柱和工作面回采产生的叠加支承压力诱导巷道围岩产生非对称集中应力,且主要分布在巷道的顶板位置,应力集中系数最大达到2.4,叠加支承压力的强烈影响范围为超前工作面30m左右;巷道顶、底板以及两帮均出现强烈收敛变形,并在应力集中区产生大变形特征,其中底鼓量约为1 m。

摘要： 针对硬岩地质条件下传统滚刀破岩出现贯入度低、磨损严重和破岩效率低等问题,许多新型辅助破岩方法被提出,如通过激光、水射流等非接触式破岩方法在岩石上制造预切缝来辅助滚刀破岩。为了明晰预切缝条件下滚刀破岩机理,采用颗粒离散元方法建立预切缝在滚刀侧面(侧置式)和滚刀前面(前置式)两种辅助破岩仿真模型,探究了预切缝深度和间距对滚刀破岩裂纹拓展的影响规律。研究结果表明:1)侧置式辅助破岩模型中,预切缝主要影响裂纹的拓展,诱导破岩过程中侧向裂纹向预切缝底端扩展;前置式辅助破岩模型中,预切缝主要影响裂纹的萌生起裂,在贯入初期只产生侧向裂纹,并促使侧向裂纹向两侧扩展。2)滚刀垂直力和裂纹数量均随着预切缝深度的增加而减小,但滚刀垂直力随着刀间距的增大而增大,裂纹数量则随着刀间距的增加先增大后减小。3)同等条件下,侧置式辅助破岩模型的破岩效率要高于前置式辅助破岩模型,但前置式辅助破岩模型中滚刀的垂直力要远小于侧置式辅助破岩模型中的滚刀垂直力,可通过进一步增加前置式辅助破岩模型中滚刀贯入度来充分利用预切缝辅助破岩。4)滚刀贯入度一定时,侧置式辅助破岩模型适用于预切缝深度大于滚刀贯入度的情况,而前置式辅助破岩模型适用于预切缝深度小于滚刀贯入度的情况。

摘要： 基于颗粒离散元理论,从细微观及大变形角度揭示砂土与混凝土桩接触界面力学和变形机制。建立了不考虑混凝土桩破坏特性的刚性簇单元,通过双轴压缩试验确定了混凝土桩及砂土线性模型细观接触参数,将其引入到桩土接触界面剪切模型中,通过直剪试验研究发现剪切应力-剪切位移曲线经历了弹性变形、强度硬化、强度软化三阶段。小剪切位移状态下,桩土接触界面在静摩擦作用下处于弹性变形状态。随着剪切位移增大,桩与砂土界面出现滑动,砂土出现较大剪涨作用。随着剪切位移增大,砂土从动摩擦状态转化为旋转状态,导致界面剪切应力快速降低,对土体剪涨作用明显。最大主应力由竖直方向向水平方向偏转。在剪切方向端部出现应力集中,剪切方向后部应力偏转效应较弱。当剪切进入软化阶段时,剪切端部应力进一步集中,最大、最小主应力有一定程度降低。

摘要： 以露头页岩为研究对象,开展不同层理倾角页岩的直剪试验,研究剪切全过程的4个阶段,同时开展基于颗粒离散元的页岩直剪全过程研究,与试验数据对比验证数值模型的可行性,从细观角度分析直剪全过程的能量演化规律,提出各向异性特征表征方法,并通过全过程的声发射变化解释细观裂缝的演化机制,阐明裂缝扩展与细观能量演化机制的一致性,研究不同时刻的层理页岩裂缝扩展规律及力链图,与对应层理倾角页岩的破坏模式进行对比,进一步探讨90°层理页岩剪切破断的裂缝特征,揭示不同层理页岩直剪全过程的裂缝演化机制。结果表明:法向应力增大能更大程度地抑制层理开裂,而剪切速率增大能更快速地达到峰值强度但降低抗剪强度;不同层理倾角页岩的破坏模式各异,0°沿层理面剪切滑移破坏,30°层理开裂为沿层理的雁列状裂缝,60°剪切破裂面呈曲线型。

摘要： 复杂地质工程中,岩体内部产生大量贯穿层状节理,严重影响隧道工程安全性。为研究节理对岩体隧道稳定性影响,基于颗粒离散元PFC,从细微观角度分析不同倾角节理对隧道变形及力学特性影响。结果表明:节理倾角对岩体稳定性影响较大。当节理倾角为20°及70°时,岩体各向异性程度大,隧道变形位移增大,裂隙发育扩展范围广,径向应力降低严重,极大影响隧道稳定性。当岩体各向异性增大时,隧道在节理与临空面交界处的应力集中现象明显,岩体损伤作用明显,岩爆产生概率增大。多层节理对岩体的切割作用明显,其交界处产生应力集中,裂纹从临空面向岩体内部扩展。

摘要： 大规模颗粒离散元计算在研究地质灾害的形成和发生时有重要的意义.本文基于颗粒离散元基本原理,借助CUDA编程平台实现了基于GPU的大规模颗粒离散元并行计算,包括颗粒与颗粒、颗粒与墙碰撞模型计算方法的并行化,计算的颗粒数目达到100万以上.系统通过优化并行计算模型和内存访问模式提高了计算速度和效率,在颗粒数目为5万时获得了最高36倍的计算加速比,并且加速比随颗粒数目的增加呈线性增加,进一步验证了GPU离散元计算的有效性、高效性和稳定性.本文的研究为下一步颗粒离散元大规模计算的工程应用提供了基础.

摘要： 通过CT扫描技术获取砾石颗粒的切片图像,进行三维模型重建,获取砾石颗粒外表面空间坐标信息。运用Matlab编写程序,缩小砾石颗粒的外表面,获得收缩壳体的空间坐标。基于颗粒空间坐标，引入半径阈值和重叠系数两个控制参数，采用分区取点搜索内接球方法，编写了颗粒离散元模型生成程序。该程序运用基本球体进行组合，自动生成砾石颗粒模型。模型参数研究结果表明，相同参数条件下,能够获取唯一模型，建模过程可重复．同时，本文还研究了两个控制参数对模型精度的影响．

摘要： 采用计算流体力学(CFD)和颗粒离散元(DEM)耦合的方法数值模拟了三维混合沙的输运过程.计算结果表明:总输沙率沿高度在大于2cm高度以上按照指数衰减,在2cm以下则偏大;各粒径颗粒具有不同的输沙率分布,粗粒径颗粒按指数规律衰减,其它粒径颗粒输沙率随高度先指数增加后减少,呈"象鼻结构";各粒径颗粒平均水平速度随高度对数函数增加且同高度时随粒径增大而减小,1cm高度以下则有相反趋势;沙粒平均粒径沿高度线性递减,2cm以下粒径偏大.

摘要： 颗粒体系由大量离散颗粒组成,普遍存在于自然界中,比如砂土地基、泥石流及滑坡体等。外荷载通常沿着准直形的路径在体系内传递,形成区别于单个颗粒和整个体系的细观结构--力链,亦即颗粒物质具有典型的多尺度特征。采用颗粒离散元方法模拟刚性块体压入颗粒体系的过程,计算得到了刚性块体底部所受阻力与压入深度的幂率关系;给出力链的判断准则和搜索强力链程序,构建颗粒体系强力链网络,并分析了压入试验过程中力链的演变及其长度的分布规律。

摘要： 颗粒体系由大量离散颗粒组成，普遍存在于自然界中，比如砂土地基、泥石流及滑坡体等。外荷载通常沿着准直形的路径在体系内传递，形成区别于单个颗粒和整个体系的细观结构——力链，亦即颗粒物质具有典型的多尺度特征。采用颗粒离散元方法模拟刚性块体压入颗粒体系的过程，计算得到了刚性块体底部所受阻力与压入深度的幂率关系；给出力链的判断准则和搜索强力链程序，构建颗粒体系强力链网络，并分析了压入试验过程中力链的演变及其长度的分布规律。

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： 本发明公开了一种基于多参数的离散元纳米颗粒封堵页岩孔隙数值模拟方法，包括建立适用于水平井和垂直井的纳米颗粒‑流体耦合流动模型，采用基于隐式时间积分的四面体网格和楔形网格单元并设定纳米颗粒和流体的边界条件和初始条件，编写代码重建纳米颗粒在流体中的拖拽力模型，计算不同井况下孔隙的纳米颗粒量和流体总量，建立释放速度大小、方向以及尺寸各不相同的纳米颗粒参数模型，计算实时的流体、纳米颗粒速度和压力等参数，通过理论公式推导验证和实验验证两种方式与模拟结果进行比较。采用本发明模拟方法的模拟结果更接近水平井和垂直井的实际情况，为实际纳米颗粒封堵页岩孔隙提供准确参考。

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： 本发明提供一种基于真实颗粒形状的离散元可破碎颗粒模型建模方法，所述方法包括先扫描真实颗粒获取颗粒轮廓，再基于球面谐波分析法重构颗粒模型，然后用半径扩大法在颗粒模型内部填充球形子颗粒，再以颗粒模型初步Voronoi划分，再将颗粒轮廓构成的节理组切割单个Voronoi多面体，然后循环上一步直至切割所有的Voronoi多面体，最后由切割后的Voronoi组装成可破碎颗粒模型。本发明所述方法构建的颗粒模型与真实颗粒模型几乎一样。其计算原理简单，计算程序简明高效，可有效地反映实际颗粒轮廓特征。为进一步通过数值仿真了解颗粒材料破碎行为提供了有效的技术手段，也有助于土建工程领域中对颗粒材料的设计。

摘要： 本发明属于颗粒磨损分析技术领域，公开了一种实现颗粒磨损的离散元模拟方法、存储介质及设备，包括：实验法得到摩擦系数与接触力的变化曲线，确定摩擦衰减数学模型；将摩擦衰减模型嵌入到离散元程序中，分析实验数据，确定模型参数；双球离散元模型试验验证摩擦衰减模型，离散元模拟分析颗粒磨损对粗粒土试样宏观力学特性的影响。本发明通过对颗粒接触模型的修改，从细观层面，模拟颗粒磨损对粒间接触力的影响，进而从宏观层面，实现颗粒接触点磨损对粗粒土试样宏观力学特性的影响。同时与传统的方法相比，该方法不会对颗粒的形状和粗粒土试样的级配产生影响；同时本发明实现容易，且不会增加离散元模拟时间。

摘要： 本发明具体涉及一种精确追踪沥青混合料颗粒的离散元压实模型建模方法，包括以下步骤：S1.利用PFC3D仿真模拟软件，根据真实沥青混合料的级配调用预先建立的粗集料模型库，生成虚拟沥青混合料中的粗集料；采用半径为0.7mm的球体单元模拟沥青混合料中的沥青砂浆和空隙，最终获得虚拟沥青混合料；S2.利用PFC3D仿真模拟软件导入虚拟沥青混合料，进行粗集料虚拟单轴贯入试验，并对真实沥青混合料进行单轴贯入试验，对比两个试验结果，确定矿料表面的摩擦系数；S3.在PFC3D仿真模拟软件中，在沥青砂浆间设置Burgers模型；S4.利用SPT试验仪对真实沥青混合料开展沥青砂浆动态模量试验，来确定PFC3D仿真模拟软件中的Burgers模型参数；S5.建立沥青混合料三维动态离散元压实模型。

摘要： 本发明公开了一种基于颗粒离散元与格子Boltzmann的压缩渗透试验数值模拟方法，该方法包括以下步骤：S1、开展砂雨法与拟振动压实法的三维颗粒离散元模拟，制备不同相对密实度的虚拟压缩试样；S2、对虚拟压缩试样逐级施加轴向压力，进行侧限压缩试验的三维颗粒离散元数值模拟，得到各级压力下压缩稳定后的离散元数值模型；S3、对各级压力压缩后的离散元数值模型分别进行切片，并对切片图像进行处理，建立对应的孔隙结构模型；S4、针对建立的孔隙结构模型开展渗流的格子Boltzmann数值模拟。本发明克服了现有室内压缩渗透试验技术的不足，且原理简单、实施方便、计算效率高、应用效果好，验证了基于颗粒离散元与格子Boltzmann的压缩渗透试验数值模拟方法的可行性和优越性。

摘要： 本发明涉及一种二维任意形状骨料颗粒离散元数值试样建模方法，属于混凝土技术领域，用于为混凝土的力学行为模拟提供保障。本发明提供的二维任意形状骨料颗粒离散元数值试样建模方法，首先，通过在Matlab中构建等于数值试样尺寸的计算区域，在此区域内随机生成一定级配的二维任意形状骨料颗粒；其次，将所构建的计算区域内信息进行分组，骨料为一组，其余区域为一组，将分组信息导出；然后，依据指定孔隙率，在离散元软件中生成单一颗粒形状的数值试样区域，随后将分组信息导入，构建出骨料区域及基质区域；最后，赋予多重接触模型，并设定相关模型参数及物理参数。

摘要： 本发明公开了一种基于颗粒离散元与SPH的滑坡涌浪模拟方法，包括：(1)建立颗粒离散元初始模型；(2)根据滑坡下滑时的水位计算颗粒在水中运动受到的浮力和水阻力；(3)对颗粒的速度矢量提取，并将速度矢量导出作为滑体颗粒坐标文件，得到每个颗粒的运动状态；(4)进行滑坡运动颗粒离散元计算，获得滑坡失稳演化过程；(5)基于颗粒离散元初始模型建立SPH滑坡涌浪计算模型；(6)设置SPH滑坡涌浪计算模型中滑体部分每个粒子的运动形式，获得滑坡涌浪演化过程，滑体入水激起涌浪以及涌浪传播的过程。本发明解决了SPH方法中由于边界条件限制难以准确表现滑坡体运动的问题，准确考虑岩土体材料以及滑动面力学参数对滑坡涌浪的影响，使计算结果符合实际。

摘要： 本发明提供了一种砂性土地基平板载荷试验的颗粒离散元仿真方法，特别适用于颗粒较粗的粗砂和砾砂等砂性土地基。基于室内土工试验标定仿真试验所需的细观参数，根据普朗特地基承载力理论确定地基模型的尺寸，基于标定的细观参数，根据地基土的颗粒级配、相对密度和确定的模型尺寸构建地基模型，采用半无限空间体假设对模型进行简化，基于对地基模型逐级施加定向荷载，包括垂直荷载和倾斜荷载，在给定的稳定性判别标准下，记录每一级荷载作用下地基产生的沉降量，直至地基模型在逐级加载过程中发生破坏，停止试验。提出的砂性土地基平板载荷试验的颗粒离散元仿真方法不但具有学术研究价值，而且具有可观的经济效益。