基于神经网络和平直节理接触模型的细观参数标定方法

近年来,颗粒流程序离散元分析方法在岩石工程领域广泛应用,它从细观角度最大限度地还原了岩石等材料力学行为的本源,但颗粒流模型的细观参数与岩石材料的宏观参数并不相同,其标定过程复杂、耗时.为此,基于平直节理接触模型,以单轴压缩、直接拉伸和双轴压缩等数值模拟试验测试岩石材料宏观力学参数;对模型细观参数进行正交设计,并通过多因...     

含抗转能力散粒体的宏微观力学特性数值分析

颗粒间抗转因素对散粒体宏微观特性的影响十分显著。本文采用离散单元法,将蒋明镜（2005年）等提出的抗转动接触模型植入离散元分析软件PFC2D中,模拟了大量刚性边界下的砂土双轴试验,研究了压缩过程中试样的宏观力学性质及部分微观参量的变化情况,用以定性分析颗粒间抗转作用对散粒体的宏微观力学特性的影响。研究表明：颗粒间的抗转...     

红砂岩单轴压缩宏细观参数映射关系研究

颗粒流离散元软件PFC2D在岩土工程中的应用十分广泛,存在的主要问题是如何标定其细观参数,目前大多使用"试凑法",此方法的缺点在于工作量大、效率低等,本文提出以反向传播算法(back propagation,BP)神经网络的方式代替此方法,利用PFC2D内置的FISH以及Python语言对其进行二次开发,使之自动运行并获取40组宏细观参数样本。结果表明:BP神经网络可以快速准确地建立宏细观参数映射关系,误差均保持在0.01以内,模拟得到的应力–应变曲线与室内试验曲线高度吻合,且无需大量的数据样本便可创建网络,效率较高;另外,经验证本文选用的平直节理模型,可以有效地解决平行粘结模型UCS/TS值偏小问题,确定平直节理模型可以更好地模拟岩石。     

MACRO AND MICROSCOPIC PARAMETER MAPPING RELATIONSHIP FOR RED SANDSTONE 1)

颗粒流离散元软件PFC2D在岩土工程中的应用十分广泛,存在的主要问题是如何标定其细观参数,目前大多使用"试凑法",此方法的缺点在于工作量大、效率低等,本文提出以反向传播算法(back propagation,BP)神经网络的方式代替此方法,利用PFC2D 内置的FISH 以及Python 语言对其进行二次开发,使之自动运行并获取40组宏细观参数样本。结果表明：BP神经网络可以快速准确地建立宏细观参数映射关系,误差均保持在0.01 以内,模拟得到的应力--应变曲线与室内试验曲线高度吻合,且无需大量的数据样本便可创建网络,效率较高;另外,经验证本文选用的平直节理模型,可以有效地解决平行粘结模型UCS/TS值偏小问题,确定平直节理模型可以更好地模拟岩石。     

PFC2D平节理模型细观参数标定方法

细观参数的快速准确确定对PFC正确模拟岩石力学性能非常重要.目前,平节理模型细观参数的标定研究均未考虑对泊松比和压拉比有很大影响的黏结比例φb和影响岩石强度及裂纹产生难易程度的黏结强度变异系数Rsd这两个细观参数,且未考虑作为判断围岩损伤范围重要指标的宏观参数起裂强度σci在参数中新增φb,Rsd和σci,采用正交数值试验方法研究了平节理模型8个细观参数与岩石6个宏观参数之间的相关性,确定了各宏观参数与主要细观参数之间的拟合关系,并分析了宏细观参数间的趋势关系.在此基础上,提出了平节理模型细观参数的标定流程,然后根据片麻花岗岩物理试验的宏观力学参数确定了模型的细观参数并进行数值试验,模拟结果与物理试验结果基本吻合,说明标定流程可行.     

颗粒离散元模拟堆积碎石土变形的参数灵敏度分析

采用颗粒离散单元方法,实现任意形状块石的模拟,基于室内试验数据标定滑坡坡体物质的堆(残、坡)积碎石土的细观参数,并考虑试样尺度效应,对影响堆积碎石土宏观变形特征的细观参数进行虚拟试验敏感度分析。研究表明,1以三轴剪切试验获得测试数据并标定颗粒离散元细观参数具有相对误差在5%以内的可靠性;2虚拟模型1(101mm×200mm)与模型2(300mm×600mm)对标定的细观参数具有尺度效应,但其相对误差控制在9%以内;3离散元颗粒间的摩擦系数与碎石土的内摩擦角、抗剪强度及残余强度为非线性正相关,摩擦系数每增加0.1,峰值主应力差平均增加118.85kPa,残余强度平均增加90.44kPa;4围压越大,材料的剪胀性越弱,围压在100kPa~500kPa时,剪胀特征值K在3~6之间变化,随着围压增加,模型破坏时的粘结力以近线性增加;5杨氏模量越大,碎石土的抗剪强度越大,但两者之间并不成线性关系,且不同杨氏模量对材料的残余强度没有显著影响。     

砂土地基锚板基础抗拔承载力PFC数值分析

在模型试验的基础上,采用PFC离散单元法对条形锚板基础在中密砂土地基中的抗拔性能进行了数值分析。数值模拟采用簇颗粒单元来模拟砂粒的不规则形状,颗粒级配根据模型试验福建标准砂的级配按照相似级配法生成,细观参数根据数值双轴试验确定。水平锚板数值模拟结果与模型试验结果基本一致。与模型试验结果相比,颗粒流数值模拟能得到颗粒间接触力链的分布及其演化规律,能从细观角度来探明宏观抗拔承载力特性的演化机理。在此基础上对倾斜锚板上拔过程进行了模拟,分析了锚板前后砂粒的运动趋势以及接触力链的演化规律,并与已有承载力结果进行了对比分析。     

粗粒土离散元非球趋真颗粒模型

颗粒形状对粗粒土的物理力学特性有着显著的影响。离散元法广泛应用于粗粒土宏观物理力学特性的细观机理研究。为了考虑颗粒形状的影响,亟待发展计算高效的离散元非球趋真颗粒模型。本文基于X射线CT扫描技术并结合数字图像处理技术,对光滑和棱角性两类典型粗粒土(鹅卵石与碎石)进行三维重构,并提出了两类趋真颗粒模型,分别采用扩展超椭球模型和球多面体模型进行趋真逼近;开展了两类颗粒试样的3D打印和单轴压缩试验,分析了配位数和局部孔隙率分布等细观特性;基于离散元开源程序SudoDEM开展了两类试样的离散元模拟,并将模拟细观分析结果与物理试验进行了对比。结果表明,提出的两类趋真颗粒模型能够较好地对粗粒土颗粒进行离散元建模。     

船-冰作用中海冰典型破坏模式的离散元数值模拟

在破冰船破冰过程中,冰排主要表现为挤压与弯曲两种破坏模式.本文基于黏结离散单元法对船-冰作用中的这两种典型破坏模式进行数值模拟.海冰离散元数值试样采用随机排布方式生成,采用单轴压缩试验与三点弯曲试验相结合的方式标定模型中的细观参数.将船-冰碰撞中的挤压和弯曲作用方式简化为直立或倾斜 平板与海冰的作用模式,构建挤压与弯曲...     

基于三维离散元堆积碎石土细-宏观力学参数相关性研究

以室内三轴压缩试验为基础,运用PFC3D离散元软件生成含有不同形状碎石块的1∶1堆积碎石土数值模型,标定得到相应的细观参数(相对误差控制在10%以内)。改变细观参数,定量探讨其与宏观力学参数(粘聚力和内摩擦角)关系,得到细观参数与粘聚力、内摩擦角的细-宏观参数关系式,并对其可靠性进行了验证。研究发现,(1)粘聚力与接触粘结力、颗粒摩擦系数呈线性正相关;同时受粘结力比值M=σc/τc的影响,当M1时,粘聚力随着M的增加而线性增加;M≥4时,粘聚力趋于稳定。(2)内摩擦角与颗粒摩擦系数呈对数关系,与接触粘结力呈抛物线关系。(3)细-宏观参数关系式是在含水率为7%室内试验结果基础上研究得出,将关系式运用到含水率为9%和11%的室内试验结果进行标定验证:依据含水率为9%和11%室内试验得到的c和φ值,运用细-宏观参数关系式计算得到细观参数,经验证其数值-室内试验结果相对误差在10%以内,说明通过细-宏观力学关系式得到的细观参数符合精度要求,关系式可靠。为后续土石混合体数值试验研究者进行细观参数标定工作提供了参考依据。     

核级石墨PFC2D模型的宏细观参数分析

颗粒流软件PFC能够很好地处理非连续介质力学的问题,模拟核级石墨的损伤和断裂过程具有独特的优势。在采用PFC^2D模拟核级石墨时,为了增加模拟的便捷性,实现了PFC^2D细观参数的快速标定。本文首先设计了四因素四水平的正交试验,分析了核级石墨的宏观参数与PFC^2D的细观参数关系;然后基于建立的核级石墨宏细观参数的关系,采用PFC^2D模拟石墨IG11的三点弯曲试验,并从位移场变形、荷载-位移曲线和断裂参数三个方面验证其宏细观参数关系的正确性。结果表明,弹性模量E随平节理模量E_c的增加线性增加;抗拉强度σ_t随平节理抗拉强度σ_b的增加线性增加;泊松比ν随平节理刚度比k_n/k_s的增加先增大后减小;数值模拟的位移场变化和荷载-裂缝口张开位移P-CMOD曲线与试验结果较吻合,此外,断裂参数的最大误差不超过3.57%。     

冻融损伤混凝土单轴压缩细观破坏研究

根据冻融循环试验测得混凝土损伤层厚度,利用离散元软件建立冻融损伤混凝土数值模型;基于单轴压缩试验得到应力-应变曲线,标定不同冻融循环次数下混凝土中水泥砂浆间以及水泥砂浆与粗骨料薄弱接触面的细观参数,并开展冻融损伤混凝土模型单轴压缩仿真模拟。将数值模拟得到的颗粒轴向位移与试验得到的轴向压缩变形进行对比,验证模型与所标定细观参数的正确性。通过研究颗粒间的接触力和裂纹发展过程,分析冻融损伤对混凝土力学性能的影响。结果表明:随着冻融次数的增加,第二阶段点颗粒间接触力最大值逐渐减小,第三阶段点颗粒间接触力最大值逐渐增大;第二阶段点冻融150次颗粒之间的最大接触力相比于冻融75次颗粒之间的最大接触力降低4%,第三阶段点冻融150次颗粒之间的最大接触力相比于冻融75次颗粒之间的最大接触力增大7.8%;随着冻融次数的增加,混凝土模型中的裂纹数量逐渐增多。不同阶段点对应的颗粒间接触力和裂纹发展可以反映出混凝土的细观破坏程度。因此,可以采用数值试验研究冻融混凝土的细观破坏过程。     

黏性土宏细观参数相关性研究

运用颗粒流程序中的bond原理结合Mohr-Coulomb破坏准则对黏性土双轴试验进行了数值模拟,探讨了黏性土宏观强度指标与其对应的细观参数之间的关系.分析结果表明,黏性土内摩擦角与颗粒摩擦角呈线性关系,黏性土黏聚力-颗粒接触强度两者拟合曲线的斜率与颗粒间摩擦系数呈幂函数关系,且两者的相关性都很好.通过该宏细观关系,得出上海第②层褐黄色粉质黏土细观参数,对其进行了双轴试验的颗粒流模拟,计算得到的应力应变曲线与实测结果一致.研究成果对于黏性土细观参数的取值及颗粒流模拟具有指导意义.     

岩石化学腐蚀-围压细观损伤本构模型与离散元模拟研究

基于Lemaitre应变等价性假设理论,假定受水化学-力耦合损伤的岩石微元强度服从Weibull分布,考虑化学腐蚀与围压耦合作用对岩石力学参数的影响,通过核磁共振技术与损伤力学理论,引入细观化学损伤变量与力损伤变量,并认为微元破坏符合SMP准则,建立岩石化学腐蚀-力耦合损伤本构模型,并采用理论推导的方法得出所需的模型参数。同时基于颗粒离散元方法,引入参数半径乘子来改变颗粒间的黏结接触尺寸,从而模拟水化学损伤,采用平直节理模型对水化学作用后的岩石进行三轴压缩模拟,得到了水化学作用和不同围压下的岩石三轴应力-应变模拟曲线。通过对比所构建的岩石化学腐蚀-力耦合损伤本构模型理论曲线、离散元模拟曲线和试验曲线,结果表明三者吻合度较好,能够很好地反映岩石在化学腐蚀和围压耦合作用下的力学特性与破坏特征,并通过离散元方法得到了岩石在三轴压缩过程中裂纹的产生与分布情况。     

多轴加载下混凝土细观破坏模拟的强度准则探讨

实际工程结构中混凝土材料大多处于双轴或三轴的复杂应力状态,已有的细观力学数值研究工作大多针对单轴加载问题,对于双轴或者三轴加载条件下混凝土破坏模拟的研究相对较少。复杂受力条件下的混凝土材料破坏模拟中,细观组分强度准则选取的合理与否将成为混凝土破坏模式及宏观力学性能数值研究准确和成功与否的关键。本文旨在探讨单轴强度准则,如最大拉应变准则在多轴加载条件下混凝土破坏过程研究中运用的合理性。鉴于此,首先在细观尺度上建立了混凝土试件的二维随机骨料模型,分别采用弹性损伤本构关系模型及塑性损伤本构关系模型来描述细观组分(即砂浆基质)的力学性能,对双轴加载条件下混凝土的细观破坏过程进行数值模拟,对比了单轴强度准则和多轴强度准则下混凝土试件破坏路径及宏观应力-应变关系的差异。数值结果表明,简单的单轴强度准则难以反映双轴加载下混凝土内部应力状态的复杂性,不宜采用单轴强度准则来描述多轴加载下混凝土的破坏行为。     

橡胶粘结颗粒材料粘弹性性能的试验研究与离散元模拟

制备了颗粒规则四方排列和六方排列的橡胶粘接颗粒材料试样,实验测试了所制备试样在单向拉伸载荷下的应力松弛曲线和不同应变率时的应力应变曲线。基于所测试的应力松弛曲线,采用曲线拟合方法得到了所测试材料的宏观Burger’s粘弹性本构模型参数。采用离散元模型中单元间连结模型代表颗粒间橡胶粘接剂的作用,并基于试样的宏观Burger’s模型参数与离散元模型中细观Burger’s连结模型参数间的关系,建立了橡胶粘接颗粒材料的无厚度胶结离散元分析模型。最后采用所建立的离散元模型计算了所测试试样的松弛和拉伸力学性能。离散元预测结果与实验结果的对比表明,采用无厚度胶结离散元模型能较好的计算颗粒规则排列的橡胶粘接颗粒材料松弛和拉伸力学性能,但基于应力松弛实验拟合而来参数不能准确反应橡胶粘接剂在高应变率条件下其力学性能的应变率相关性。     

雁形裂纹扩展的模型试验及断裂力学机制研究

通过相似材料模拟试验的方法研究了双轴压缩载荷作用下闭合雁形裂纹的起裂、扩展和岩桥的贯穿机理，得到了双轴压缩载荷作用下，不同方位雁形裂纹的开裂角、起裂载荷、岩桥贯通载荷及临界失稳载荷等重要的断裂力学参数，提出岩桥的破坏模式有剪切破坏、拉剪复合破坏和翼裂纹扩展三种     

聚丙烯纤维加固土融沉特性的离散元数值模拟研究

针对掺入纤维对土体冻融特性的影响进行离散元数值模拟,首先自研了过程感知融化固结系统,基于融沉试验,提出了微观参数折减法模拟融化过程,分析了纤维掺量、纤维长度、土样高度的影响规律。结果表明：离散元方法可对融沉过程进行较为有效的模拟,并可得到最优纤维掺量,对于模拟工况,最优纤维掺量为0.1%;从融化压缩模量看,纤维长度与掺量为敏感影响因素,土样高度为次要因素;掺入纤维对土体强度与融沉特性的提升效果具有一致性。     

基于离散元法的涂层硬质合金刀具建模及其加工损伤预测

首先建立了TiCN涂层硬质合金刀具基体材料(WC)的离散元模型,根据单轴压缩、三点弯曲以及断裂韧性等数值试验方法校准了基体材料离散元模型的微观参数,然后采用划痕法校准了基体与涂层的界面结合强度。根据Merchant切削模型,建立了涂层刀具切削过程中的刀-屑接触模型,通过对切屑施加周期性边界条件来模拟实际的切削加工过程;模拟了涂层刀具加工过程中的裂纹扩展和破坏情况,并预测了切削加工用量对涂层裂纹扩展及破坏的影响。     

基于三维细观模型的全级配混凝土静态力学性能的数值模拟

根据混凝土材料的细观组成和力学特性,研究了骨料几何形状和空间分布规律,建立全级配混凝土三维凸多面体随机细观模型,引入了混凝土细观组份材料的本构模型,分别模拟了单轴、双轴和三轴状态下混凝土的静态力学性能,并建立混凝土梁的三维宏细观分析模型,研究了三点弯曲梁的变形及裂缝扩展情况。结果表明,本文建立的细观力学模型的计算结果与实验数据吻合较好,可以较好地模拟各种复杂应力条件下混凝土的静态力学性能和损伤破坏机理。