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。     

颗粒流动力学及其离散模型评述

颗粒流是由众多颗粒组成的具有内在相互作用的非经典介质流动. 自然界常见颗粒流都是密集流, 颗粒间接触形成力链, 诸多力链相互交接构成支撑整个颗粒流重量和外载荷的网络, 其局部构型及强度在外载荷下演化, 是颗粒流摩擦特性和接触应力的来源.本文介绍球形颗粒间无粘连作用时的Hertz法向接触理论和Mindlin-Deresiewicz切向接触理论. Campbell依据是否生成较为稳定的力链把颗粒流分为弹性流和惯性流两大类, 其中弹性-准静态流和惯性-碰撞流分别对应准静态流和快速流, 作为两种极端流动情况通常处理成连续体, 分别采用摩擦塑性模型和动理论予以描述, 但是表征接触力链的颗粒弹性参数并不出现这两个模型和理论框架中, 如何进一步考虑颗粒弹性参数将非常困难. 目前离散动力学方法逐渐成为复现其复杂颗粒流动现象、提取实验不可能获得的内部流动信息进而综合起来探索颗粒流问题的一种有效工具, 其真实性强于连续介质理论的描述. 软球模型对颗粒间接触力简化处理, 忽略了切向接触力对法向接触力及其加载历史的依赖, 带来了法向和切向刚度系数如何标度等更艰难的物理问题, 但由于计算强度小而广泛应用于工程问题中. 硬球模型不考虑颗粒接触变形, 因而不能描述颗粒流内在接触应变等物理机理, 仅适用于快速颗粒流, 这不仅仅是由于两体碰撞的限制. 因此基于颗粒接触力学的离散颗粒动力学模型是崭新的模型,适用于准静态流到快速流整个颗粒流态的模拟, 可以细致考虑接触形变及接触力的细节,建立更为合理的颗粒流本构关系, 进而有力的促进颗粒流这一非经典介质流动的研究.      

基于CFD-DEM的高炉风口回旋区形状和传热特性数值模拟研究

采用计算流体力学-离散单元法(CFD-DEM)耦合方法,对高炉风口回旋区进行了数值模拟研究。首先通过与实验结果对比,验证了CFD-DEM模型的正确性;然后考察了不同气速对风口回旋区形状和传热特性及颗粒接触的影响。数值模拟结果表明:风口回旋区的大小和形状均受气速影响较大,在较大进气速度下,颗粒受到的曳力大于颗粒间的摩擦阻力并破坏颗粒间的桥力,形成较大尺寸的回旋区;且颗粒之间接触力较小,形成较大的空隙结构,更有利于热气体向周围扩散以强化传热。目前考察的三种气速结果表明:当气速为11m/s时,热量向下方传递速度最快;当气速为13m/s时,热量向上方传递速度最快;而当气速为15m/s时,热量向右方传递速度最快;此外,气速越大流态化越明显,颗粒间接触越少,接触力也越小。     

粗糙颗粒的随机离散元模拟——随机法向接触定律

真实颗粒的力学性质会受到其随机粗糙表面的影响,然而在传统离散元模拟中通常假设颗粒具有光滑表面,因此有必要在定量考虑颗粒表面粗糙度的基础上改进离散元的接触模型。本文基于经典 Greenwood-Williamson(GW)模型通过理论分析和数值模拟提出了一种可以考虑颗粒表面粗糙度的法向接触定律;开发了基于 Newton-Raphson迭代的数值计算方法,通过输入颗粒重叠量和一系列表面粗糙系数计算总接触力;讨论了改进计算方法效率和准确性的相关问题。相对于 GW模型中接触关系的复杂积分表示,拟合得到新随机接触定律的表达式具有类似 Hertz定律的简单结构,只包含一个表征颗粒表面粗糙度标准偏差的新增参数,σ,可以方便的引入当前离散元模拟程序中进行计算。     

基于离散单元法的颗粒阻尼耗能减振特性研究

采用离散单元法并从能量耗散的角度研究颗粒阻尼对系统减振特性的影响。建立了颗粒介质细观下的法向、切向和滚动方向的粘弹性接触模型和能量耗散模型,通过冲击激励和简谐激励下系统振动响应的多参数能量耗散分析来研究颗粒阻尼的耗能机理和减振特性。数值试验表明,颗粒介质可以在一个较宽的振动幅值范围内有效的发挥其阻尼效应,其耗能具有阶梯状周期性的特点。填充率是影响颗粒阻尼耗能减振效果的主要工程可控参数并对系统共振频率产生重大影响,当填充率接近极值时,系统出现无阻尼共振及共振频率超出无颗粒系统固有频率的现象。系统在最优填充率下共振时,颗粒与箱体保持恒定相位差的超振幅稳态运动。较小粒径的颗粒可以提高能量耗散率并使振动系统更快趋向静平衡状态,而恢复系数和摩擦系数则对法向和切向耗能的比值有较大影响。     

粗糙颗粒的随机离散元模拟——随机法向接触定律（英文）

真实颗粒的力学性质会受到其随机粗糙表面的影响,然而在传统离散元模拟中通常假设颗粒具有光滑表面,因此有必要在定量考虑颗粒表面粗糙度的基础上改进离散元的接触模型。本文基于经典GreenwoodWilliamson(GW)模型通过理论分析和数值模拟提出了一种可以考虑颗粒表面粗糙度的法向接触定律;开发了基于Newton-Raphson迭代的数值计算方法,通过输入颗粒重叠量和一系列表面粗糙系数计算总接触力;讨论了改进计算方法效率和准确性的相关问题。相对于GW模型中接触关系的复杂积分表示,拟合得到新随机接触定律的表达式具有类似Hertz定律的简单结构,只包含一个表征颗粒表面粗糙度标准偏差的新增参数,σ,可以方便的引入当前离散元模拟程序中进行计算。     

机械结合面切向接触阻尼计算模型

针对两粗糙表面在法向力和切向力共同作用下相互接触时结合面切向阻尼的问题进行了研究。首先,根据KE模型对单个微凸体在弹性、弹塑性、塑性变形阶段的切向接触行为进行了分析,获得了微凸体在三个变形阶段的黏滑特性;然后,基于GW统计模型建立了一种在微凸体法向弹性、弹塑性和塑性变形机制基础上,考虑微凸体黏滑摩擦行为的机械结合面切向接触阻尼统计模型;最后,分别讨论了机械结合面的法向预载荷、切向激振频率和切向动态位移幅值对机械结合面切向阻尼的影响。研究表明:结合面切向接触阻尼系数随着结合面法向载荷的增大而增大,随着切向激振频率和切向动态位移幅值的增大而减小;在高频率、大幅值下,结合面切向接触阻尼系数几乎与动态位移幅值和激振频率无关。为了验证模型的准确性,构建了动态切向力作用下的结合面切向阻尼试验,其试验结果与理论仿真变化规律与量级基本一致,从而证明了本文所提出的切向阻尼模型的有效性。      

机械结合面切向接触阻尼计算模型

针对两粗糙表面在法向力和切向力共同作用下相互接触时结合面切向阻尼的问题进行了研究.首先,根据KE模型对单个微凸体在弹性、弹塑性、塑性变形阶段的切向接触行为进行了分析,获得了微凸体在3个变形阶段的黏滑特性;然后,基于GW统计模型建立了一种在微凸体法向弹性、弹塑性和塑性变形机制基础上,考虑微凸体黏滑摩擦行为的机械结合面切向接触阻尼统计模型;最后,分别讨论了机械结合面的法向预载荷、切向激振频率和切向动态位移幅值对机械结合面切向阻尼的影响.研究表明:结合面切向接触阻尼系数随着结合面法向载荷的增大而增大,随着切向激振频率和切向动态位移幅值的增大而减小;在高频率、大幅值下,结合面切向接触阻尼系数几乎与动态位移幅值和激振频率无关.为了验证模型的准确性,构建了动态切向力作用下的结合面切向阻尼试验,其试验结果与理论仿真变化规律与量级基本一致,从而证明了所提出的切向阻尼模型的有效性.     

带自由表面水流与离散颗粒耦合模型研究

基于考察泥沙运动的细观行为特征,采用离散单元法(DEM)模拟泥沙颗粒运动,结合带自由表面的水动力学计算模型,建立了CFD-DEM耦合数值模型。计算程序开发基于Fortran语言来实现。耦合模型中实现了硬球模型和软球模型两种颗粒碰撞模型,应用范围较广。作为自由表面水流与泥沙颗粒流数值模型的初步研究,在模型建立的基础上,对模型做了基本的验证。分别通过单颗粒静水沉降和混合颗粒群分选两个计算工况,验证了模型的正确性及模拟精度。该耦合模型可进一步丰富带自由表面水流条件下泥沙运动的研究手段。     

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。     

Transient rolling friction model for discrete element simulations of sphere assemblies

The rolling resistance between a pair of contacting particles can be modeled with two mechanisms. The first mechanism, already widely addressed in the DEM literature, involves a contact moment between the particles. The second mechanism involves a reduction of the tangential contact force, but without a contact moment. This type of rotational resistance, termed creep-friction, is the subject of the paper. Within the creep-friction literature, the term “creep” does not mean a viscous mechanism, but rather connotes a slight slip that accompanies rolling. Two extremes of particle motions bound the range of creep-friction behaviors: a pure tangential translation is modeled as a Cattaneo–Mindlin interaction, whereas prolonged steady-state rolling corresponds to the traditional wheel–rail problem described by Carter, Poritsky, and others. DEM simulations, however, are dominated by the transient creep-friction rolling conditions that lie between these two extremes. A simplified model is proposed for the three-dimensional transient creep-friction rolling of two spheres. The model is an extension of the work of Dahlberg and Alfredsson, who studied the two-dimensional interactions of disks. The proposed model is applied to two different systems: a pair of spheres and a large dense assembly of spheres. Although creep-friction can reduce the tangential contact force that would otherwise be predicted with Cattaneo–Mindlin theory, a significant force reduction occurs only when the rate of rolling is much greater than the rate of translational sliding and only after a sustained period of rolling. When applied to the deviatoric loading of an assembly of spheres, the proposed creep-friction model has minimal effect on macroscopic strength or stiffness. At the micro-scale of individual contacts, creep-friction does have a modest influence on the incremental contact behavior, although the aggregate effect on the assembly's behavior is minimal.     

滚动问题中摩擦力的判断

刚体滚动时摩擦力的判断是工程力学中极易引起学生困惑的问题. 在对摩擦力产生原因进行分析的基础上, 确定了刚体纯滚动时静摩擦力的计算公式和判定方法. 刚体作纯滚动时静摩擦力所作总功为零, 仅实现刚体平动动能和转动动能之间的相互转化, 其方向总是阻碍主动力引起的物体运动趋势并使其向另一种运动转化; 刚体作有滑滚动时滑动摩擦力所作总功为负, 其方向与刚体滑动方向相反, 并实现刚体平动动能和转动动能之间的相互转化.     

作大范围回转运动柔性梁斜碰撞动力学研究

为正确估计由于碰撞引起的多柔体系统动力学特性的变化,针对作大范围回转运动的柔性梁与一固定斜面发生斜碰撞的情况,在考虑刚柔耦合效应的多柔体系统动力学建模理论的基础上,利用假设模态法建立起重力场作用下的柔性梁一致线性化动力法向碰撞过程中系统的动力行为。基于Ｈｅｒｔｚ接触理论和非线性阻尼项建立法向碰撞接触模型,基于线性切向接触刚度建立柔性梁切向碰撞接触模型,提出的数值算法保证了计算结果的合理性,给出的仿     

A mechanical model for the adhesive contact with local sliding induced by a tangential force

Adhesion has been demonstrated to play an important role in contact and friction between objects at small scales. While various models have been established for adhesive contact under normal forces, studies on the adhesive contact under tangential force have been far fewer, which if any, are mostly confined to the non-slipping situations. In the present work, a model has been proposed for adhesive contact with local sliding under tangential forces. Herein, the onset of local sliding in adhesive contact has been addressed by assuming the nucleation of dislocations. By analogy with the emission of dislocations at a crack tip, the critical tangential force for the onset of sliding has been determined, and its effect on the evolution of contact size has also been studied. Comparison with relevant experiments has verified the validity of the present model.     

基于LuGre摩擦模型的接触约束法旋转柔性梁斜碰撞研究

基于接触约束法和LuGre摩擦模型对在重力场作用下作大范围旋转运动的柔性梁系统和斜坡发生含摩擦斜碰撞的动力学问题进行研究. 首先运用刚柔耦合的多体系统动力学理论对大范围运动的柔性梁进行离散化和动力学建模, 在碰撞时采用冲量动量法求出跳跃速度, 其次在法向上引入接触约束求解出碰撞力, 在切向上采用LuGre摩擦模型分两种方式求解摩擦力, 第一种是在滑动时摩擦力由摩擦系数和碰撞力计算得出, 黏滞状态下引入切向约束计算拉格朗日乘子反应实际摩擦力, 根据黏滞/滑动切换判断计算出碰撞过程摩擦力(与Coulomb摩擦模型计算摩擦力一致); 第二种根据LuGre摩擦模型摩擦系数和法向碰撞力计算其摩擦力, 从而在碰撞时无需黏滞/滑动切换, 采用相同的摩擦力计算公式. 通过与Coulomb摩擦模型对比发现, LuGre摩擦模型描述碰撞切向摩擦过程更精确, LuGre摩擦模型黏滞时建立约束方程和碰撞采用统一的摩擦力公式这两种建模方式描述的斜碰撞动力学特性没有区别, 进而说明采用法向接触约束和LuGre摩擦模型具有满足碰撞非嵌入情况、避免黏滞/滑动切换、描述摩擦力相对准确的优势.      

Friction force model and rolling dynamics for a ball on a rough surface with presliding displacement taken into account

A model of sliding and spinning friction forces for a ball in the form of finite relations obtained by integrating the tangential stresses over the contact area whose parameters are determined by Hertz’s theory for the “ball-rough horizontal surface” tribological conjunction pair is supplemented with a model of rolling friction torques. The combined model is peculiar in that the presliding displacement effect in rolling and spinning friction torques is taken into account. It is shown that the ball motions in the presliding displacement zone are of quasilinear character and, under shock perturbations, have the form of damping vibrations in the three orientation angles. The numerical parameters of the rolling and spinning friction model are experimentally determined for the presliding displacement zones, while the sliding friction parameters and partly the spinning friction parameters are calculated. Mathematical modeling permits one to discover new properties of the ball, namely, its deceleration in rolling, the onset of damping vibrations at the beginning and end of motion, and the transient process parameters.     

干气密封滑动摩擦界面切向接触刚度分形模型

为揭示干气密封滑动摩擦界面高频微幅自激摩擦振动规律,用分形参数表征摩擦界面形貌特性,根据重新建立的微凸体接触变形方式,以及对非协调弹性体在切向力作用下初始滑动问题的研究,建立了干气密封滑动摩擦界面切向接触刚度分形模型. 通过数值对切向接触刚度的影响因素进行了分析,研究结果表明:切向接触刚度随分形维数、真实接触面积和材料特性系数的增大而增大;切向接触刚度随特征尺度、摩擦系数的增大逐渐减小. 相比于分形维数、特征尺度和材料特性系数对切向接触刚度的影响,摩擦系数的影响相对较小. 这些研究结果为进一步研究干气密封高频微幅自激摩擦振动奠定了基础.      

微液滴在PDMS软基体表面的动态摩擦行为研究

通过固液界面摩擦力测试装置研究了微液滴在PDMS软基体表面运动时的动态摩擦学行为,并对微液滴体积、滑动速度及软基体力学性能对固液界面动态摩擦行为的影响进行了分析. 结果表明:微液滴在软基体表面运动时表现出最大静摩擦力和动态摩擦力. 最大静摩擦力与微液滴黏度和速度梯度呈正比,动态摩擦力与微液滴体积、滑动速度和基体力学性能有关. 随着微液滴体积的增加,三相接触线长度增加,动态摩擦力增加;随着相对滑动速度增加,三相接触线长度及接触角滞后增加,动态摩擦力增加;随着软基体弹性模量降低,固液界面黏附力增加,固液界面运动能量耗散增加,动态摩擦力增加. 研究结果可为PDMS软基体表面微液滴的精确驱动和运动参数优化提供理论指导,也可进一步丰富固液界面摩擦理论.      

柔性梁斜碰撞问题的非线性动力学建模和实验研究

本文研究柔性梁点面斜碰撞问题。用Hertz接触模型处理法向撞击力,分别用Hertz切向接触模型和Coulomb摩擦力模型处理粘滞状态和滑动状态的摩擦力。从精确的应变与位移的关系出发,用绝对节点坐标法建立了柔性梁的动力学方程。为了准确地处理斜碰撞切向运动的复杂状态,提出滑动-粘滞切换的准则,在此基础上,设计了斜碰撞实验,数值对比了法向撞击力和法向速度的时间历程的仿真计算结果与实验结果,验证了Hertz理论在斜碰撞情况下的正确性。另一方面切向速度的实验与理论的结果对照表明滑动-粘滞切换准则的有效性。