离散颗粒流动堆积行为离散元模拟及实验研究

工程应用中存在许多颗粒流动堆积问题.首先设计了一系列测量方法,通过大量的实验和统计分析,得到了颗粒的多种物理参数.并以工程中高炉炉顶称量料罐为背景,采用离散元方法模拟不同物理条件下离散颗粒的流动堆积行为,得出料罐内颗粒系统中颗粒之间力的分布不均匀,而且强力链分布主要与料罐的左下壁方向平行.同时,设计并制作了具有多参数调节的离散颗粒料罐实验模型,进行了相应的物理实验,实测结果与数值模拟吻合良好.     

基于扰动状态概念与E-B模型的粗粒料力学行为模拟

考虑到基于复杂弹塑性模型与扰动状态概念的本构模型在数值积分时的困难,以Duncan-Chang(E-B)模型描述材料在相对完整状态(RI)下的响应,用临界状态模型描述材料在完全调整状态(FA)下的力学行为。依据常规三轴试验曲线判断材料状态的转变并建议了相应的扰动因子计算方法。利用Abaqus软件实现了相应的程序代码,数值算例模拟了堆石料的三轴试验,结果表明邓肯-张模型与扰动状态概念的结合在模拟应变软化、剪缩与剪胀方面具有良好能力。在此基础上进一步模拟了某混凝土面板堆石坝的施工、蓄水、退水的过程,数值结果表明变形分布符合一般规律,且在定量上与原型观测吻合较好。     

考虑颗粒形状和破碎的胶结钙质砂力学行为离散元模拟研究

质砂作为一种建筑材料,近年来广泛应用于我国南海岛礁工程建设中。本文通过建立考虑钙质砂真实颗粒形状和颗粒破碎的胶结钙质砂离散元模型,研究了二维剪切条件下试样的宏微观力学行为,包括应力-应变行为、颗粒破碎、胶结破坏、位移场和裂纹随剪应变的演化规律,讨论了颗粒形状、颗粒粒径范围、颗粒强度和水泥胶结强度对胶结钙质砂力学行为的影响规律。结果表明,钙质砂颗粒粒径区间越宽,胶结钙质砂的强度越高。同一级配条件下,考虑真实颗粒形状的胶结钙质砂试样比圆颗粒试样的强度更高,试样总体颗粒破碎率也更高。钙质砂颗粒的强度越高,胶结钙质砂的性能越好。但是提高水泥的强度对胶结钙质砂力学性能的影响并不显著。本文的研究结果可为实际工程中钙质砂的加固提供理论依据。     

溜槽对高炉无料钟布料粒度偏析的影响研究

为研究溜槽对高炉无料钟布料偏析的影响,采用离散元方法模拟了无料钟卸料过程,得到了溜槽上颗粒的速度分布,布料结果的径向、周向粒度分布,并分析了溜槽内表面的键槽、截面形状和倾角对粒度偏析的影响规律,结果表明:(1) 溜槽上的键槽会引起布料结果周向偏析;(2) 溜槽方形截面较圆形截面更有利于精确的径向布料;(3) 不同溜槽倾角下,径向偏析不同, 结果为高炉布料工艺的设计及炉料分布的精确控制提供科学依据.     

钟摆状态下湿颗粒坍塌流动行为及其动力相似性

基于建立的湿颗粒离散动力学模型,本文系统研究了钟摆状态下湿颗粒柱在重力驱动下的坍塌流动过程,主要考虑了颗粒粒径、液体表面张力系数和液体含量等参数对系统坍塌流动模式和动力学行为的影响。研究发现,在湿颗粒系统中,颗粒粒径和液体表面张力系数会改变颗粒间的毛细力大小,引起系统发生不同的坍塌流动模式,而液体含量仅定量影响颗粒坍塌后的堆积形态。在此基础上,进一步探讨了不同模式下系统坍塌流动行为与模型参数的相关性,发现无量纲Bond数是决定钟摆状态下湿颗粒物质坍塌流动动力学行为的本质因素。     

颗粒毛细效应影响因素的离散元分析

颗粒毛细效应是指将一根细管插入填充有颗粒物质的容器中并对管施加竖直振动时颗粒在管内上升并最终达到一个稳定的高度的现象,该现象为颗粒物料的逆重力输运提供了一种潜在的技术途径.为探究颗粒毛细效应的影响因素,采用离散元方法,模拟再现了颗粒毛细效应过程,展示了不同管径下颗粒竖直方向速度演变特性,考察了不同容器宽度和振动条件下颗粒最终毛细上升高度随管径的演变规律.结果表明,在容器宽度与粒径比为40、管振幅与粒径比为14.33、管振动频率为12 Hz情况下,管径与粒径比D/d=3.33时,管内颗粒堵塞严重,使得颗粒上升缓慢,并造成颗粒柱中断; D/d=8.33时,起初毛细上升高度增加迅速,随后毛细上升高度的增大逐渐减缓,管内颗粒在管径方向几乎不存在速度梯度; D/d=15时,随着颗粒毛细上升高度的增大,管内颗粒柱分离为速度截然不同的两层,上层颗粒在管径方向几乎不存在速度梯度,而下层颗粒存在明显的速度梯度.研究还发现,在毛细效应能够发生的管径范围内,存在一个对应于颗粒最终毛细上升高度最大值的临界管径,当管径小于临界管径时,颗粒最终毛细上升高度随管径的增大而增大,当管径大于临界管径时,颗粒最终毛细上升...     

不同细料含量土石混合料塑性行为离散元模拟

土石混合料是指由大粒径的块石和作为填充成分的细粒土组成的二元混合料, 其塑性行为与细料含量密切相关. 目前对细粒含量如何影响土石混合料塑性行为及其细观机制的研究尚不充分, 为此本文开展了不同细料含量土石混合料的二维离散元数值模拟, 基于二阶功失稳准则与细观力学理论, 探究了细料含量对石料骨架土石混合料失稳特性与非关联流动特性的影响, 并揭示了细料含量影响土石混合料塑性力学行为的细观机制. 研究结果表明, 细颗粒可通过限制集合体塑性变形从而起到促进集合体整体稳定的作用; 细颗粒控制颗粒集合体塑性变形的方向(即塑性势面法方向), 随着细料含量增大, 土石混合料的塑性势面法方向和屈服面法方向之间的夹角减小, 非关联流动性减弱, 材料分岔失稳区域变窄; 尽管加入到石颗粒中的部分细颗粒与石颗粒共同承担骨架作用, 但是细颗粒的加入不影响颗粒集合体的力学状态, 不改变材料屈服面法方向. 相关研究结果可为建立考虑细料含量的土石混合料弹塑性本构模型提供理论依据.      

颗粒毛细效应影响因素的离散元分析

颗粒毛细效应是指将一根细管插入填充有颗粒物质的容器中并对管施加竖直振动时颗粒在管内上升并最终达到一个稳定的高度的现象,该现象为颗粒物料的逆重力输运提供了一种潜在的技术途径.为探究颗粒毛细效应的影响因素,采用离散元方法,模拟再现了颗粒毛细效应过程,展示了不同管径下颗粒竖直方向速度演变特性,考察了不同容器宽度和振动条件下颗粒最终毛细上升高度随管径的演变规律.结果表明,在容器宽度与粒径比为40、管振幅与粒径比为14.33、管振动频率为12 Hz情况下,管径与粒径比D/d=3.33时,管内颗粒堵塞严重,使得颗粒上升缓慢,并造成颗粒柱中断; D/d=8.33时,起初毛细上升高度增加迅速,随后毛细上升高度的增大逐渐减缓,管内颗粒在管径方向几乎不存在速度梯度; D/d=15时,随着颗粒毛细上升高度的增大,管内颗粒柱分离为速度截然不同的两层,上层颗粒在管径方向几乎不存在速度梯度,而下层颗粒存在明显的速度梯度.研究还发现,在毛细效应能够发生的管径范围内,存在一个对应于颗粒最终毛细上升高度最大值的临界管径,当管径小于临界管径时,颗粒最终毛细上升高度随管径的增大而增大,当管径大于临界管径时,颗粒最终毛细上升高度随管径的增大而趋于减小;增大容器宽度,临界管径有所增大;增大振幅、适当提高频率能够有效促进临界管径的增大.     

软弱夹层几何参数对试样力学行为影响颗粒元模拟研究

基于离散元理论的颗粒元程序,采用颗粒接触连接模型和滑动模型,建立了含软弱夹层试样的颗粒元模型。通过数值模型实验,对不同软弱夹层几何参数试样进行加载模拟,探讨了不同夹层厚度及不同倾角条件下试样的破坏过程和破坏形式,并分析其对试样强度的影响。模拟结果表明,裂隙首先产生于软弱夹层处,随着荷载的增加,再逐渐扩展,呈现渐进性破坏特征;夹层越厚,倾角越大,试样沿软弱夹层呈现较强的滑动特征,如果夹层薄且缓,软弱夹层成为试样破坏的非控制因素;软弱夹层厚度和夹角对试样的峰值强度都有影响,随软弱夹层厚度和夹角的增大,试样的峰值强度降低。     

利用连接尺度方法的颗粒材料破碎数值分析

基于已有的颗粒材料连接尺度方法(BSM)[1-2],发展了在细尺度上采用离散颗粒集合体模型与离散单元法(DEM)并引入了颗粒破碎模型,而在粗尺度上采用Cosserat连续体模型与有限单元法(FEM)的BSM。仅在有限局部区域内采用DEM从细观层次关注颗粒材料破碎现象,而在全域采用储存空间和花费时间较少的FEM,同时在粗细两个尺度采用不同的时间步长。讨论了颗粒材料发生破碎时,颗粒材料结构的承载能力与微结构的演变。数值算例结果说明了所提出可模拟破碎的BSM的可用性和优越性,以及颗粒破碎对颗粒材料微观力学行为的影响。     

基于细观方向平均模型的颗粒材料宏观Cosserat连续体本构关系

提出了基于细观微-方向模型（Micro—Directional Model）的宏观Cosserat连续体本构关系。在细观尺度上考虑颗粒旋转自由度及接触力矩,微结构的影响通过接触分布函数体现。给出均质各向同性Cosserat连续体模型弹性常数的细观参数表达式,并建议了二维情况下内尺度参数的细观力学表达式。对颗粒材料宏观行...     

筒仓泄料过程中阻塞现象的数值模拟

基于颗粒材料离散颗粒模型及颗粒流方案,通过数值试验研究了筒仓泄料过程中影响颗粒流发生阻塞的若干因素,给出了阻塞概率随筒仓底部开口半径及倾角、颗粒间摩擦系数及颗粒粒径分布的关系曲线.基于颗粒簇的概念,进一步研究了颗粒形状的影响,并对颗粒材料阻塞时的力链分布特征进行简要分析.     

Computational multiscale methods for granular materials

The fine-scale heterogeneity of granular material is characterized by its polydisperse microstructure with randomness and no periodicity. To predict the mechanical response of the material as the microstructure evolves, it is demonstrated to develop computational multiscale methods using discrete particle assembly-Cosserat continuum modeling in micro- and macro- scales, respectively. The computational homogenization method and the bridge scale method along the concurrent scale linking approach are briefly introduced. Based on the weak form of the Hu-Washizu variational principle, the mixed finite element procedure of gradient Cosserat continuum in the frame of the second-order homogenization scheme is developed. The meso-mechanically informed anisotropic damage of effective Cosserat continuum is characterized and identified and the microscopic mechanisms of macroscopic damage phenomenon are revealed.     

Stress and fabric in granular material

It has been well recognized that, due to anisotropic packing structure of granular material, the true stress in a specimen is different from the applied stress. However, very few research efforts have been focused on quantifying the relationship between the true stress and applied stress. In this paper, we derive an explicit relationship among applied stress tensor, material-fabric tensor, and force-fabric tensor; and we propose a relationship between the true stress tensor and the applied stress tensor. The validity of this derived relationship is examined by using the discrete element simulation results for granular material under biaxial and triaxial loading conditions.     

DEM simulation of particle mixing in a sheared granular flow

Mixing behaviors of particles are simulated in a sheared granular flow using differently colored but otherwise identical glass spheres, with five different bottom wall velocities. By DEM simulation, the solid fractions, velocities, velocity fluctuations and granular temperatures are measured.The mixing layer thicknesses are compared with the calculations from a simple diffusion equation using the data of apparent self-diffusion coefficients obtained from the current simulation measurements. The calculations and simulation results showed good agreements, demonstrating that the mixing process of granular materials occurred through the diffusion mechanism.     

DEM simulation of particle mixing in a sheared granular flow

Mixing behaviors of particles are simulated in a sheared granular flow using differently colored but otherwise identical glass spheres, with five different bottom wall velocities. By DEM simulation, the solid fractions, velocities, velocity fluctuations and granular temperatures are measured. The mixing layer thicknesses are compared with the calculations from a simple diffusion equation using the data of apparent self-diffusion coefficients obtained from the current simulation measurements. The calculations and simulation results showed good agreements, demonstrating that the mixing process of granular materials occurred through the diffusion mechanism.     

颗粒材料内部滑动变形局部化的离散元模拟

颗粒材料在加载过程中表现出非常复杂的变形性质.在微观尺度上,单个颗粒的运动、单个孔隙胞元内的变形都是非均匀的,但也不是完全随机、没有规律可循的,而是呈现一定结构性的分布,如微带、剪切带等.本文用基于孔隙胞元的离散元方法对颗粒体进行双轴加载数值试验,模拟了以滑动变形表征的变形局部化现象.数值结果发现,对应加载过程中的不同...     

含液颗粒材料液固耦合分析的离散颗粒模型及特征线SPH法

对含液颗粒材料流固耦合分析建议了一个基于离散颗粒模型与特征线SPH法的显式拉格朗日-欧拉无网格方案。在已有的用以模拟固体颗粒集合体的离散颗粒模型[1]基础上,将颗粒间间隙内的流体模型化为连续介质,对其提出并推导了基于特征线的SPH法。数值例题显示了所建议方案在模拟颗粒材料与间隙流相互作用的能力和性能以及间隙流体对颗粒结构承载能力及变形的影响。     

Combining X-ray microtomography with computer simulation for analysis of granular and porous materials

The use of X-ray microtomographic (XMT) methods in analysing particulate systems has expanded rapidly in recent years with the availability of affordable desk-top apparatus. This review presents a summary of the major applications in which computer simulations are explicitly coupled with XMT in the area of granular and porous materials. We envisage two main ways of establishing the coupling between both techniques, based on the transference or exchange of information by using physical or geometrical paramet...