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散粒体介质剪切变形的宏观特征与细观机制

实验室研究与探索 2023年第4期42卷 27-33页

作者：郑海君唐珏凌潘远阳魏玉峰成都理工大学地质灾害防治与地质环境保护国家重点实验室成都610059 成都工业职业技术学院教育培训服务中心成都610213

为了探究散粒体介质在剪切过程中的内部结构变化及细观变形破坏特征,开展了直剪数值模拟试验,对剪切过程中颗粒体系的变形特性进行研究。试验中观察了散粒体内部结构随外荷载的变形响应情况,分析了试样的应力应变及剪胀特征关系。结果表... 详细信息

为了探究散粒体介质在剪切过程中的内部结构变化及细观变形破坏特征,开展了直剪数值模拟试验,对剪切过程中颗粒体系的变形特性进行研究。试验中观察了散粒体内部结构随外荷载的变形响应情况,分析了试样的应力应变及剪胀特征关系。结果表明:散粒体的剪切变形及破坏是一个累积增长的过程,颗粒试样具有明显的应变软化现象,且在剪切面附近发生局部化塑性变形,同时整体表现出剪胀性;剪切过程中试样的细观组构各向异性与剪应力的变化具有一致性;接触力链网络演化呈现出强力链发育且主要集中于剪切面区域内的规律;颗粒的接触平均配位数整体呈现出减小的规律。

关键词：散粒体离散元单元法直剪试验剪切变形演化规律

散粒体剪切波速在胶结及溶蚀作用下演化的DEM模拟

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散粒体剪切波速在胶结及溶蚀作用下演化的DEM模拟

作者：孙孟浙江大学

学位级别：硕士

生物土体改良是一种创新、环保的土体加固方法,符合国家双碳战略与可持续发展需求,在岩土工程中具有广泛的适用性。其通过引入碳酸钙(Ca CO)来对散粒土体进行胶结加固。本研究旨在通过离散元模拟研究其模拟方法、加固效果和微观机理。... 详细信息

生物土体改良是一种创新、环保的土体加固方法,符合国家双碳战略与可持续发展需求,在岩土工程中具有广泛的适用性。其通过引入碳酸钙(Ca CO)来对散粒土体进行胶结加固。本研究旨在通过离散元模拟研究其模拟方法、加固效果和微观机理。该模拟采用基于接触改变的“虚拟实体”生成方式生成碳酸钙,并提出了其在离散元模型中两种样式——Ca CO-P和Ca CO-C。模拟中碳酸钙含量范围为0-9%,剪切波速从169.73 m/s增长到2132.64 m/s。对剪切波传播过程进行微观分析发现随着碳酸钙含量增加,配位数和平均接触力增加。当碳酸钙含量较低时,相邻砂粒对间的接触胶结作用是方解石沉淀的主要联结模式。当碳酸钙含量较高时,剪切波会沿Ca CO-C胶结的团簇优先传播。蒙特卡洛方法模拟结果揭示Ca CO-C分布的空间变异性使得剪切波传播具有优先路径,并以此提出了单位距离标准化连通度(C)来表征空间变异性对于剪切波速的影响。散粒体的溶蚀过程模拟盐颗粒在玻璃珠散粒体中的溶解,初步探讨了弱化剪切模量的微观机制。结果表明,试样在应力方面表现为各向异性,接触的微观特征与宏观测量的K和剪切波速具有良好的相关性,主要颗粒作用逐渐从盐-玻璃珠变为玻璃珠-玻璃珠接触。

关键词：散粒体离散元剪切波微观研究接触

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基于物理模型试验的库岸散粒体滑坡涌浪特性

工程科学与技术 2024年

作者：王珊珊张检召王东坡杨东旭袁蔚林欧阳朝军中国科学院水利部成都山地灾害与环境研究所成都理工大学地质灾害防治与地质环境保护国家重点实验室中国自然资源航空物探遥感中心

滑坡涌浪灾害具有历时短、地形条件复杂、规模大的特点，一直是国内外研究的重要地质和工程问题之一。本文以库岸滑坡失稳入水涌浪过程为研究对象，考虑水上滑坡与淹没滑坡两种情景，设计并开展了散粒体滑坡涌浪三维物理模型试验，量测... 详细信息

滑坡涌浪灾害具有历时短、地形条件复杂、规模大的特点，一直是国内外研究的重要地质和工程问题之一。本文以库岸滑坡失稳入水涌浪过程为研究对象，考虑水上滑坡与淹没滑坡两种情景，设计并开展了散粒体滑坡涌浪三维物理模型试验，量测了滑坡入水运动堆积过程及涌浪产生、传播过程特征，并进一步分析了沿滑坡运动方向传播的离岸波与沿河道上下游传播的侧向波波幅、传播规律特性等。结果表明：当滑坡从淹没工况到水上工况时，涌浪波幅最大值特征逐渐从波峰小于波谷转向波峰大于波谷。沿滑坡运动方向产生的涌浪波幅大于沿库岸传播的涌浪波幅，侧向波传播过程中波幅高度衰减程度小于离岸波。进一步分析发现在通常情况下涌浪沿河道上下游传播时，侧向波最大浪高为其首浪高度的2.5倍。针对散粒体滑坡其涌浪最大高度与散粒体质量呈正相关，与散粒体初始淹没率呈负相关；受滑坡体入水时相对厚度的影响，其涌浪最大高度与入水高差呈负相关。在此基础上，利用无量纲分析方法与多元非线性回归方法，推导了散粒体滑坡涌浪最大高度经验公式，最后采用提出的经验公式对三峡库区巫山红岩子滑坡与加拿大切哈利斯湖滑坡涌浪案例最大浪高进行计算分析，验证了该公式具有较好的适用性和准确性。

关键词：滑坡涌浪散粒体物理模型试验传播特性涌浪最大高度经验公式

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散粒体的自组织临界性分析

深圳大学学报（理工版） 2015年第1期32卷 96-101页

作者：蒋红英宋亮亮罗双华慕青松西京学院土木工程学院西安710123 西安理工大学基建处西安710048 兰州大学土木工程与力学学院兰州730000

基于二维模拟实验,研究竖向荷载下散粒体中的自组织临界性,揭示细观拱效应与宏观大崩塌的变化规律,以及拱效应与材料性质的关系.散粒体中每个小自组织的临界发展过程包括自组织搭拱、拱随遇平衡和拱崩塌的动力学演化.散粒体大坍塌是众... 详细信息

基于二维模拟实验,研究竖向荷载下散粒体中的自组织临界性,揭示细观拱效应与宏观大崩塌的变化规律,以及拱效应与材料性质的关系.散粒体中每个小自组织的临界发展过程包括自组织搭拱、拱随遇平衡和拱崩塌的动力学演化.散粒体大坍塌是众多小自组织临界发生后的力学性质由量变到质变的过程.用随机理论细观探讨一个预期失败模式的理论模型,为研究散体材料结构自组织临界性系统的可预测性及灾害预测预报提供了科学依据.

关键词：防灾减灾工程防护工程散粒体各向异性自组织临界性拱效应

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基于声发射技术的散粒体大直剪试验研究

基于声发射技术的散粒体大直剪试验研究

作者：陈琦枫西南交通大学

学位级别：硕士

在土木工程领域,砂土、砾石等散粒体材料由于分布广泛,容易采集,在工程中有广泛的应用,因此开展散粒体材料的研究具有十分重要的实际意义。目前对散粒体材料的研究更多是对其宏观力学特性的研究,对材料内部研究较少,对于一个散体结构,... 详细信息

在土木工程领域,砂土、砾石等散粒体材料由于分布广泛,容易采集,在工程中有广泛的应用,因此开展散粒体材料的研究具有十分重要的实际意义。目前对散粒体材料的研究更多是对其宏观力学特性的研究,对材料内部研究较少,对于一个散体结构,从宏观上看,它是一个整体,但从微观上看,其内部的颗粒又相互独立,只有对其内部的微观结构有更深入的了解,才能更好地了解散粒体材料的本质。本文在大直剪试验常规测量手段的基础上,增加了声发射技术的监测手段;采用分形维数作为散粒体组构特征的描述指标,开展了一系列不同分维数散粒体的大直剪-声发射试验,研究了不同分形维数散粒体的力学特性,散粒体剪切破坏过程中的声发射特性,散粒体内部的SOC行为,得到的主要结论如下:1)通过分形维数作为颗粒组构特征进行力学特性分析,对试样的常规力学参数进行测定,验证了大直剪设备的可靠性;对剪切位移曲线进行分析表明,相同分形维数下,抗剪强度随着垂直荷载的增加而增加,相同垂直荷载下,分形维数D=2.52的各项力学指标最好;以体应变为0确定了剪切位移曲线达到残余强度的临界点C。2)结合剪切位移曲线,声发射活性在剪切位移曲线到达临界点C附近时会明显的降低,且该现象出现在临界点之前;以100Khz作为区分颗粒之间能量释放类型的标准,非均匀砂在剪切过程中的能量释放主要来自于颗粒间的破碎,而颗粒间的滑动释放能量主要集中在剪切的初期,均匀砂在剪切过程中的能量释放几乎都来自于颗粒间的滑动;这表明,相较于传统力学方法,声发射试验可以监测临界点C的出现,通过声发射手段可以对试样内部的颗粒状态进行分析,体现了声发射监测手段相较于常规力学手段的优越性。3)基于沙堆模型的SOC研究大多对外部落沙量的测定来判定系统的自组织临界特性,本试验通过声发射手段对沙堆模型内部的扰动进行了SOC的特性的研究,增加了散粒体SOC研究的物理试验手段。通过对本试验的分析表明:非均匀砂系统的幂律特性和长程相关性都较强,呈现较强的自组织临界特性;但均匀砂系统不服从幂律分布,且从长程相关性上看,更接近无序的白噪声序列,说明均匀砂并不呈现这一特性。

关键词：大直剪声发射散粒体临界点 SOC

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散粒体颗粒破碎过程离散元分析及程序设计

散粒体颗粒破碎过程离散元分析及程序设计

作者：李建兴东南大学

学位级别：硕士

发射装药发射安全性一直倍受国内外兵器界广泛关注。内弹道初期发射药床的挤压破碎是导致膛炸的根本因素,弹底发射药床在高应力下的破碎程度,已成为发射装药发射安全性研究的核心问题。发射药床本质上是由六棱柱发射药粒组成的散粒体系... 详细信息

发射装药发射安全性一直倍受国内外兵器界广泛关注。内弹道初期发射药床的挤压破碎是导致膛炸的根本因素,弹底发射药床在高应力下的破碎程度,已成为发射装药发射安全性研究的核心问题。发射药床本质上是由六棱柱发射药粒组成的散粒体系统。本文基于离散元法,系统地研究了多面体颗粒破碎的离散元程序实现,并将其应用到高冲击荷载下发射药床挤压破碎过程的研究中。本文的主要研究内容如下:1.研究了离散元法的基本理论和破碎模型。提出了基于弹簧-四面体的多面体颗粒破碎模型,提高了离散元法描述复杂颗粒和碎片真实形状的准确程度。2.详细讨论了离散元程序中的接触识别算法。分析了邻居目录算法中的Verlet列表法、连接单元法、连接线性目录法和精确接触识别中的公共面法、GJK法、射线穿透法;根据多面体颗粒的特性,选择连接线性目录法建立颗粒的邻居目录,编程并比较了GJK法与射线穿透法的特性,得出了GJK法效率较高但射线穿透法稳定性较好的结论。3.编制了能够模拟伴随多面体颗粒破碎的散粒体系统离散元程序。对主程序中信息初始化、循环计算和内存释放的实现过程进行详细描述;对OpenGL图形后处理程序的主要流程和图像的代码实现进行了说明;通过模拟规则颗粒的冲击回弹、不规则颗粒的自由堆积、立方体的单颗粒冲击破碎和立方体散粒体系统的冲压破碎对离散元程序和破碎模型的有效性进行了验证。4.数值模拟了发射药床挤压破碎过程,并和物理试验进行了对比。建立了发射药挤压破碎的离散元模型,采用无破碎的程序获得发射药床的密实堆积结构;采用破碎程序建立发射药单颗粒破碎模型和发射药床散粒体系统破碎模型;提出弹簧-四面体模型的破碎程度统计规则;模拟和分析了不同冲击荷载下的发射药单颗粒破碎情况,颗粒破碎形态和破碎过程的仿真结果与物理试验结果较为吻合;按照真实荷载模拟了发射药床的挤压破碎过程,将仿真结果与物理试验结果进行了对比分析,结果吻合较好。对程序的验证分析表明本文编制的离散元程序和破碎模型有效;对发射药单颗粒冲击破碎的模拟结果表明程序模拟破碎形态方面的准确性较好;与物理试验结果对比,相同荷载下药床挤压破碎的仿真结果符合较好。本文设计的可以模拟伴随多面体颗粒破碎的散粒体系统离散元程序为发射安全性研究提供了重要的理论支撑和研究手段。

关键词：离散元程序设计破碎模型接触识别算法散粒体发射药床

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散粒体卸载特性的三轴伸长试验研究

固体力学学报 2009年第4期30卷 354-360页

作者：庄丽周顺华同济大学道路与交通工程教育部重点实验室上海200092

根据岩土体的加卸载变形过程和应力状态,卸载曲线分为弹性卸载段和卸载伸长段.采用三种不同粒径的玻璃珠和标准丰浦砂散粒材料进行了三轴伸长卸载试验,对比分析了不同材料、初始偏应力和不同围压下散粒体的卸载特性.研究表明散粒体的单... 详细信息

根据岩土体的加卸载变形过程和应力状态,卸载曲线分为弹性卸载段和卸载伸长段.采用三种不同粒径的玻璃珠和标准丰浦砂散粒材料进行了三轴伸长卸载试验,对比分析了不同材料、初始偏应力和不同围压下散粒体的卸载特性.研究表明散粒体的单向伸长卸载强度主要取决于与卸载方向垂直的围压和颗粒的内摩擦,且与围压成线性关系,初始偏应力状态及各向异性对于散粒体的伸长强度无影响,但影响其破坏发展形态.此外,材料特性包括表面粗糙度和级配、孔隙率等对内摩擦及伸长卸载特性均有影响.

关键词：散粒体卸载三轴伸长试验摩擦伸长强度

双轴压缩条件下散粒体的二维孔隙分布及演化规律研究

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岩土工程学报 2015年第3期37卷 494-503页

作者：刘洋汪成林张铎北京科技大学土木与环境工程学院土木工程系北京100083

基于离散单元法建立了不同密实度的理想散粒体数值模型,通过Voronoi–Delaunay网格剖分建立离散域,采用基于边界点的椭圆拟合算法模拟散粒体中的孔隙,并进一步分析了在双轴压缩条件下散粒体孔隙的分布特征与演化规律,同时结合数值试样... 详细信息

基于离散单元法建立了不同密实度的理想散粒体数值模型,通过Voronoi–Delaunay网格剖分建立离散域,采用基于边界点的椭圆拟合算法模拟散粒体中的孔隙,并进一步分析了在双轴压缩条件下散粒体孔隙的分布特征与演化规律,同时结合数值试样中单孔隙的变化过程,分析了散粒体变形的微细观力学机理。研究表明,散粒体二维孔隙表现出明显的双峰分布特征,在双轴压缩条件下,不同密实度散粒体的孔隙要素表现出明显不同的演化特征。总体说来,松散试样小孔隙比例增加,大孔隙比例减少,孔隙趋于均匀;而密实试样小孔隙比例减少,大孔隙比例增加。孔隙的排列方向与荷载主方向有关,初始密实度对其影响不大。双轴加载过程中长轴沿水平方向的细长孔隙首先崩溃,长轴沿轴向加载方向的孔隙存留下来并在散粒体变形过程中起主导作用,最终沿加载方向产生一个稳定的颗粒结构。单孔隙的发展过程显示,大孔隙上承担着较强的力链,双轴压缩过程中随着变形的发展,松散试样中接触力链较强的单个大孔隙逐渐分裂成为多个小孔隙,颗粒接触力链分布趋于均匀;而在密实试样中,随着变形发展小孔隙逐渐融合形成大孔隙。

关键词：散粒体孔隙结构离散元双轴压缩力链

散粒体压制成型过程非线性负载力补偿算法研究

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华中科技大学学报(自然科学版) 2024年第6期 63-70页

作者：武哲袁畅李宝仁杨钢华中科技大学机械科学与工程学院

针对特殊散粒体压制成型过程发生弹塑性变形时，负载刚度呈现复杂的非线性时变特性，散粒体压制成型装置容易产生抖动现象，进而影响产品的密度均匀性和一致性问题，建立了散粒体压制成型装置电-液伺服系统的数学模型，提出了一种基于... 详细信息

针对特殊散粒体压制成型过程发生弹塑性变形时，负载刚度呈现复杂的非线性时变特性，散粒体压制成型装置容易产生抖动现象，进而影响产品的密度均匀性和一致性问题，建立了散粒体压制成型装置电-液伺服系统的数学模型，提出了一种基于压制成型过程的非线性负载力补偿算法，通过对消补偿机制将非线性负载力对系统的影响进行抑制，使系统成为解耦线性系统．试验结果表明：当采用PID+LOC非线性负载力补偿算法时，散粒体压制成型过程中非线性负载力对控制系统性能的影响显著降低，运动控制曲线基本上呈线性变化；由于散粒体的蠕变特性，当采用比例-积分-微分(PID)控制算法时，在保压阶段容易诱发压制力的衰落振荡现象，而采用PID+LOC非线性负载力补偿算法则彻底消除了压制力的衰落振荡现象，并且提高了系统的控制精度，扩展了系统的频宽．

关键词：散粒体压制成型非线性负载对消补偿机制解耦线性系统