爆炸载荷下脆性颗粒体系破碎特性的数值研究

试验发现,以球形TNT为中心爆源,球形玻璃珠构成的颗粒和球壳中发生破碎的颗粒体积分数随当量比(颗粒球壳的质量与TNT炸药的质量比)的增加呈现指数衰减规律。采用有限元与离散元耦合的连续非连续数值方法,揭示了中心炸药起爆后颗粒环壳内爆炸波的传播衰减和在环壳外界面反射后的稀疏卸载过程。由于爆炸波的短脉冲特性,颗粒内部应力场始终处于应力非均衡状态,采用应力均衡状态下颗粒破碎强度的Weibull分布会得到远高于试验测得的破碎颗粒体积分数。因此采用破坏波传播特征时间内的平均诱导应力而非瞬时诱导应力作为颗粒破碎强度的应力指标,并通过试验结果确定破坏波传播特征时间。考虑了应力传播的非均匀性对于颗粒破碎的影响,得到了平均诱导应力峰值的概率分布随比例距离的变化规律,结合修正后的颗粒破碎强度Weibull分布建立了破碎颗粒体积分数随比例距离的变化模型。     

均匀水流冲击下扭王字块断裂失稳过程的数值模拟研究

扭王字块是一种重要的港口防波堤护面块体,其断裂失稳过程与所受水流冲击力密切相关。文章以基于连续介质力学的离散元方法(CDEM)为基础,通过引入FVM算法及半弹簧-半棱联合接触模型,分别实现了大位移下单元变形的准确计算及单元接触的快速更新。基于改进后的CDEM方法,通过在扭王字块表面施加按流速方向逐渐增加的动态面力,对均匀水流冲击下单扭王字块的断裂过程及扭王字块群的失稳滑移过程进行了数值分析。通过分析,不同方向水流冲击下单扭王字块的主要断裂模式为沿着根部的折断,其断裂流速约为21~25m/s;不同吨位下扭王字块群的失稳模式为扭王字块单体从群体中跳出,其失稳流速约为4~11m/s。     

一种基于颗粒接触的二维无网格方法及其在高速冲击模拟中的应用

为解决基于连续介质力学的离散元方法(CDEM)在高速冲击模拟中因网格畸变导致的系统能量发散问题,提出了一种基于颗粒接触的二维无网格方法(PCMM)。该方法基于颗粒间复杂丰富的接触信息构建三角形单元,通过接触对的演化更新实现旧单元(满足删除条件的单元)的删除及新单元(满足创建条件的单元)的重建,通过在单元内引入流体弹塑性模型实现高速冲击问题的模拟。给出了三角形单元创建的3个必备条件:组成单元的3个颗粒必须彼此接触,任意一个内角必须在30°~150°之间,任意一条边长必须大于平均半径的0.5倍。弹性杆撞击、泰勒杆、碎片云、子弹入射靶板等算例的结果表明了PCMM方法在模拟高速冲击问题方面的正确性及合理性。     

基于混合方法的二维水力压裂数值模拟

水力压裂在页岩气开采中被广泛使用,采用数值方法研究压裂机理具有重要意义.基于连续-非连续单元法(CDEM) 和中心型有限体积法(FVM),提出解决水力压裂流固耦合问题的二维混合数值计算模型.该混合模型中,使用CDEM 求解应力场和裂缝扩展过程,使用FVM 求解裂隙渗流场.应力场裂缝扩展和渗流场均使用显式迭代求解, 并通过相互之间数据交换实现流固耦合.通过与KGD 理论模型进行对比, 验证数值模型的正确性.通过与颗粒离散元数值结果进行对比,验证数值模型的有效性.通过计算复杂缝网压裂模型,研究水力压裂机理,并说明该数值模型在水力压裂模拟中具有很好的前景.      

半弹簧接触模型及其在边坡破坏计算中的应用

提出了一种用于判断、描述三维离散块体的接触状态, 计算块体间接触力的半弹簧接触模型. 该模型将一对接触块体分为母块体及子块体, 半弹簧位于母块体上, 由母块体各节点缩进至各母面面内形成, 目标面位于子块体上. 该模型根据半弹簧与目标面的几何关系直接计算接触力, 无需耗费大量时间判断两个块体的接触类型及计算两个块体的接触面积. 该模型可以解决准三维条件下地质体渐进破坏的计算, 将该模型应用于边坡渐进破坏分析,计算结果与实际情况相符.