粗粒化强化有限-离散元多尺度耦合方法在颗粒-连续体表面动态作用问题上的应用

作     者：程宏旸 Stefan Luding Thomas Weinhart Hongyang Cheng;Stefan Luding;Thomas Weinhart

作者机构：Chair of Soil MicroMechanics Department of Civil Engineering Faculty of Engineering Technology MESA+ University of Twente 7500 AE Enschede The Netherlands Multi-Scale Mechanics Group Department of Thermal and Fluid Engineering Faculty of Engineering Technology MESA+ University of Twente 7500 AE Enschede The Netherlands 

出 版 物：《Acta Mechanica Sinica》 (力学学报（英文版）)

年 卷 期：2023年第39卷第1期

页      面：110-123页

核心收录：

学科分类：08[工学] 0801[工学-力学（可授工学、理学学位）] 080102[工学-固体力学] 0702[理学-物理学] 

基　　金：Hongyang Cheng acknowledges funding from the Sectorplan Béta & Techniek of the Dutch Government. Thomas Weinhart acknowledges funding from the NWO-TTW project No.16604 Virtual Prototyping of Particulate Processes (ViPr) —Design and Optimisation via Multiscale Modelling and Rapid Prototyping. This work made use of the Dutch national e-infrastructure with the support of the SURF Cooperative (Grant No. EINF-3381). 

主　　题：颗粒材料 粗粒化 多尺度耦合 高频振荡 可变形结构 耦合系统 连续体 颗粒流 

摘      要：颗粒材料和可变形结构之间的相互作用与采矿、施工、粉末加工等许多工业过程相关.离散(DEM)和有限元法(FEM)之间的表面耦合通常用来模拟颗粒材料与连续体介质间的相互作用.本文使用最新提出“广义表面耦合方法,通过粗粒化(CG)强化连续物理场从离散颗粒尺度数据中的提取,在离散-连续体接触面实现微观-宏观过渡.本文着重研究了颗粒-连续耦合系统中动量和能量的时间演化及其在CG宽度(即平滑内核有效范围)上的依赖性.通过三个数值算例,包括(1)密实颗粒流撞击柔性障碍物,(2)粘弹性立方体坠落并静止于颗粒床,(3)悬臂梁表面受重力作用滑动继而使梁弯曲的颗粒流,证明了CG强化的FEM-DEM表面耦合可以使数值结果更加准确,并减少耦合系统中的多余能量.通过比较三个计算实例,本文发现随着颗粒-连续体相互作用从静态到动态过度,CG强化面耦合方法的优势更加明显.随着CG宽度增加,耦合系统中过剩能量的衰减越强,高频振荡的振幅也越小,从而促进耦合系统中的应力松弛过程.但是最佳CG宽度的选择仍然取决于具体的耦合问题.