岩石结构面直剪力学特征的颗粒流宏细观分析

目前,由于颗粒尺寸和位置随机分布而产生的粗糙度,导致在模拟过程中出现应力集中现象,从而无法利用PFC2D准确模拟岩石结构面的剪切力学行为。为了避免以上弊端,采用结构面两侧颗粒组接触判别法分别对倾角为20°和30°的三角形单锯齿结构面进行不同法向应力下的直剪模拟。模拟结果与物理试验结果基本吻合,表明此模拟方法可以真实模拟岩石结构面剪切力学行为。为了进一步验证此模拟方法在天然结构面模拟试验中的可行性,利用PFC2D对Barton标准十条节理轮廓线模型进行不同法向应力下的直剪试验,模拟结果与理论值吻合,表明模拟方法具有可行性,为剪切破坏过程和机理分析提供可靠的理论依据,为研究粗糙结构面强度特征提供了一种思路。     

轻粗骨料含量对混凝土抗压性能尺寸效应影响的细观数值模拟

为了研究轻粗骨料含量对轻骨料混凝土立方体抗压破坏行为与尺寸效应的影响,本文根据瓦拉文公式确定轻粗骨料数量,借助混凝土细观数值建模方法分别建立了边长为100 mm、150 mm、300 mm、450 mm的二维轻骨料混凝土细观数值模型．采用塑性损伤本构模型,通过细观数值模拟研究了不同试件尺寸及不同轻粗骨料含量的轻骨料混凝土在单轴受压下的破坏形态及宏观应力-应变关系曲线．结果表明,在相同试件尺寸下,轻粗骨料含量对轻骨料混凝土单轴抗压强度有一定影响,受压破坏时轻粗骨料颗粒破坏．比较轻粗骨料含量相同的轻骨料混凝土立方体抗压性能发现,轻骨料混凝土尺寸效应明显,单轴抗压强度随试件尺寸增大而减小,且粗骨料含量影响轻骨料混凝土的尺寸效应．此外,细观数值模拟结果表明Ba?ant尺寸效应律适用于轻骨料混凝土的抗压性能．     

基于离散元模型的土石混合体直剪试验分析

土石混合体是由高强度块石和低强度土体组成的一类特殊工程地质材料,其力学性质可通过直剪试验进行确定。本文针对土石混合体的细观材料特性,分别采用球形颗粒单元和非规则组合颗粒单元模拟土体和块石材料,对其在不同含石量和颗粒粘结强度下的直剪试验过程进行离散元分析。计算结果表明,土石混合体的抗剪强度随着含石量和粘结强度的增加而增加;通过不同法向应力下直剪试验的离散元分析,确定了不同含石量下土石混合体材料的内摩擦角和粘聚力。本文研究结果有助于进一步揭示土石混合体的抗剪强度特性。     

基于PFC~(3D)的砂土直剪模拟及宏细观分析

为能更好地分析砂土在剪切过程中的体积变化及力学行为,通过PFC~(3D)颗粒流程序,按照室内实际级配建立数值试样,进行了不同垂直压力下的砂土直剪试验模拟,并将模拟结果与室内试验结果进行了对比;研究了砂土在剪切过程中的体积变化,并用两种方法分析了砂土剪切带的演变过程;从细观角度对试样颗粒的速度场及力链网络的发展变化进行了分析研究。结果表明,数值模拟结果与室内试验结果基本一致,砂土的体积变化表现为先剪缩后剪胀,剪胀量与垂直压力成反比;剪切带厚度约为11～12倍d_(50),在剪切带内颗粒的位移和欧拉角变化较大;试样内部强力链的演变较为明显,力链网络对外荷载变化的敏感性很高;剪切过程中上盒颗粒速度场方向的变化能够较好地解释砂土产生的剪胀现象。     

土石混合体直剪离散元数值试验研究

工程中普遍存在的土石混合体以其复杂的工程地质力学性质越来越受研究者的关注。由于"块石"的存在使得土石混合体在细观层次上呈现明显的结构性特征,这种结构性将影响甚至控制着其变形破坏机制及宏观力学特征。本文借助三维颗粒离散元分析软件YADE分别从含石量、试样尺寸、强度特性等角度对土石混合体的力学性质开展了一系列的数值直剪试验研究工作,并取得了一些有意义的研究成果:在含石量及粒度组成相同的情况下土石混合体的宏观抗剪强度及剪胀性随着试样尺寸的增加而呈现降低趋势,而在相同试样尺寸下将随着含石量的增加而增加;内部块石的存在影响着其细观应力状态,从而影响其宏观力学特性。     

土的工程力学性质的颗粒流模拟

基于颗粒流理论,引入不同的颗粒接触连接本构模型,分别建立了砂土和粘性土的颗粒流模型．通过颗粒流数值模型试验,对砂土和粘性土的室内平面应变试验及其剪切带形成和发展进行了数值模拟,分别对比了不同围压下颗粒流试样与室内试验的应力应变关系曲线,基本再现了砂土和粘性土试样应力．应变关系．通过砂土和粘性土PFC试样剪切带模拟表明,当围压较小时试样内部颗粒位移量小而且分布范围较广,当围压增大时,试样内部颗粒位移量也增大,而且发生较大位移颗粒的分布范围趋于集中,同时随着围压的增大试样内部形成明显的剪切带．无论砂土还是粘性土的PFC试样,随着围压的增加剪切带的形状趋于集中,而且剪切带宽度在减小．在围压很小时,试样内形成大的破坏区域,在围压较大时出现明显的线破坏区．这些规律基本与室内试验结果相似。     

基于细观力学的混凝土弹塑脆性损伤研究

将混凝土假定为一种由硬化水泥砂浆、粗骨料、界面粘结带所组成的三相复合材料,在满足骨料级配曲线算法的基础上,采用细观单元的弹塑脆性损伤本构关系,考虑材料的非均质特性,建立了基于细观力学的混凝土弹塑脆性损伤数值模型;分别研究了单轴受拉预置裂纹试样和单轴受压混凝土试样的细观弹塑脆性损伤破坏行为,并揭示了混凝土的宏观表征强度存在明显的尺寸效应,通过将计算结果与 Bazant 尺寸效应公式、单轴受压物理实验曲线进行对比,验证了模型的正确性。数值试验表明：该模型可以清晰地模拟混凝土细观塑性屈服和失效裂纹的萌生和扩展。骨料与水泥砂浆间的界面粘结带相对薄弱,在混凝土试件形成宏观损伤局部化带前,试件的屈服和破坏首先发生在骨料边缘处的界面位置,并沿着界面粘结带扩展、贯通;同时,导致宏观裂纹形成和发展的因素仍以细观单元的拉伸破坏为主。     

用于模拟颗粒增强复合材料破坏过程的梁—颗粒细观模型的实验验证

本文的主要目的是验证梁－颗粒细观模型在模拟混凝土和砂岩类颗粒增强复合材料连续破坏过程的有效性，文中首先介绍了梁－颗粒细数值模型的基本原理，然后给出了由细钢丝粘结成的正方体试验的单轴抗压实验结果，最后用梁－颗粒细观模型对物理实验进行了数值模拟，研究结果表明，物理实验和数值模拟所得到的试件破坏模式和荷载－位移曲线，两者基本一致，从而初步证明了梁－颗粒细观数值模型及模拟颗粒增强复合材料破坏过程，以及解释     

振动效应对铁路道砟剪切性能影响的离散元数值模拟

铁路道砟在传递移动列车载荷时会产生明显振动及接触迁徙行为,从而诱发道床的破碎劣化及非均匀沉降变形,道砟材料的抗剪性能研究对于碎石道床动力学行为及维养评估非常重要。为进一步探究铁路道砟的剪切力学特性,基于Minkowski Sum理论构造了扩展多面体单元,采用三维Voronoi切割算法生成了非规则扩展多面体道砟颗粒。通过最小投影方法对单元进行粒径识别和筛选,建立了符合铁路道砟级配要求的扩展多面体道砟模型数据库。对比了不同法向应力下铁路道砟准静态直剪试验及离散元模拟结果,验证了扩展多面体道砟接触参数的合理性。在此基础上,开展了振动效应下的道砟动态直剪离散元模拟研究,分析了振动角度、幅值及频率对道砟材料抗剪性能的影响。结果表明：构造的扩展多面体道砟离散元模型能够较好地反映非规则道砟间的强咬合互锁接触作用,并有效模拟直剪过程中的剪切应力–应变的变化及剪缩–剪胀行为。正则化下不同法向应力对应的铁道道砟剪切强度更适合采用幂函数拟合表示。振动场的存在会明显降低道砟颗粒的抗剪性能。当振动方向与剪切方向一致时（振动角度为0°）,道砟的剪切强度被明显削弱;随着振幅及频率的增大,道砟颗粒的剪切强度也会显著降...     

用于模拟颗粒增强复台材料破坏过程的梁-颗粒细观模型的实验验证

本文的主要目的是验证梁－颗粒细观模型在模拟混凝土和砂岩类颗粒增强复合材料连续破坏过程的有效性。文中首先介绍了梁－颗粒细观数值模型的基本原理，然后给出了由细钢丝粘结成的正方体试件的单轴抗压实验结果，最后用梁－颗粒细观模型对物理实验进行了数值模拟。研究结果表明，物理实验和数值模拟所得到的试件破坏模式和荷载－位移曲线，两者基本一致。从而初步证明了梁－颗粒细观数值模型是模拟颗粒增强复合材料破坏过程，以及解释其损伤机理的一个有效工具。     

薄膜涂层材料界面纯剪破坏标准试验法的开发

界面强度是薄膜涂层材料的最重要的性能指标之一，目前尚缺乏有效的测量方法。测量界面强度的主要困难在于寻求一种便于试验的试件形状和加载方式，使得界面上能够产生不同的应力状态，即在不同的剥离应力和剪应力比的状态下发生破坏。本文采用有限元数值分析（ABAQUS），研究了几种具有简单几何形状的试件的界面应力，并基于大量的数值试验，设计了剪应力为破坏支配因素的试件形状和加载方式，并且给出了便于应用的最大界面剪应力的经验估算公式。该经验公式可以适用于各种材料组合和薄膜涂层的厚度。研究结果表明，通过对薄膜涂层材料试件的基体引入缺口以产生应力集中，进行普通的四点弯曲试验，可以进行剪应力占支配地位的界面破坏试验。利用本文提出的试件形状和相应的最大界面剪应力经验公式，可以通过破坏试验简单地得到界面的剪切强度。     

基于修正压力场理论的再生混凝土梁抗剪承载力计算方法研究

基于修正压力场理论分析有腹筋再生混凝土梁的剪切破坏机理,建立了更接近有腹筋再生混凝土梁实际受力的抗剪模型,并通过考虑再生骨料有效粒径和受箍筋作用下的裂缝宽度与构件裂缝处应力的联系,分析了再生骨料咬合力对梁斜截面抗剪性能的影响,提出了再生混凝土梁极限抗剪承载力的计算方法.此外,本文将理论结果与课题组自制的6根再生混凝土梁...     

共面闭合断续节理岩体直剪强度特性研究

介绍了节理面和岩桥各自的抗剪强度机制,引入法向变形协调条件,基于Mohr-Coulomb理论,推导了共面闭合断续节理岩体的直剪强度公式。模型试验发现,剪切破坏面以拉剪复合破坏为主,同时岩块中伴随大量的拉张微裂隙。试样的强度和变形具有明显的阶段性,全应力应变曲线主要经历了线弹性增长、节理面错动、次生裂纹起裂稳态扩展、节理面贯通破坏和残余强度5个阶段。对比发现,理论计算结果与试验值吻合较好。     

Modelling of progressive interface failure under combined normal compression and shear stress

The present work is concerned with an analysis of progressive interface failure under normal compressive stress and varying shear stress using the cohesive crack model. The softening model is assumed and frictional linear stress at contact is accounted for. A monotonic loading in anti-plane shear of an elastic plate bonded to a rigid substrate is considered. An analytical solution is obtained by neglecting the effect of minor shear stress component in the plate. The elastic and plate interface compliances are included into the analysis. Three types of solutions are distinguished in the progressive delamination analysis, namely short, medium and long plate solutions. The analysis of quasi-static progressive delamination process clarifies the character of critical points and post-critical response of the plate. The analytical solution provides a reference benchmark for numerical algorithms of analysis of progressive interface delamination. The case of a rigid–softening interface was treated in a companion paper, where also cyclic loading was considered.     

Numerical study of concentrated fluid–particle suspension flow in a wavy channel

The particle migration effects and fluid–particle interactions occurring in the flow of highly concentrated fluid–particle suspension in a spatially modulated channel have been investigated numerically using a finite volume method. The mathematical model is based on the momentum and continuity equations for the suspension flow and a constitutive equation accounting for the effects of shear‐induced particle migration in concentrated suspensions. The model couples a Newtonian stress/shear rate relationship with a shear‐induced migration model of the suspended particles in which the local effective viscosity is dependent on the local volume fraction of solids. The numerical procedure employs finite volume method and the formulation is based on diffuse‐flux model. Semi‐implicit method for pressure linked equations has been used to solve the resulting governing equations along with appropriate boundary conditions. The numerical results are validated with the analytical expressions for concentrated suspension flow in a plane channel. The results demonstrate strong particle migration towards the centre of the channel and an increasing blunting of velocity profiles with increase in initial particle concentration. In the case of a stenosed channel, the particle concentration is lowest at the site of maximum constriction, whereas a strong accumulation of particles is observed in the recirculation zone downstream of the stenosis. The numerical procedure applied to investigate the effects of concentrated suspension flow in a wavy passage shows that the solid particles migrate from regions of high shear rate to low shear rate with low velocities and this phenomenon is strongly influenced by Reynolds numbers and initial particle concentration. Copyright © 2008 John Wiley & Sons, Ltd.     

纺织复合材料和结构多尺度耦合的数值分析

研究了纺织复合材料和结构多尺度耦合的数值分析模型。建立了微、细观单胞,给出了纺织复合材料平均弹性常数的逐级分析方法,着重研究了由宏观结构、到细观纤维束、再到微观纤维三个尺度耦合的应力分析方案。对于常用的板壳状纺织复合材料结构,在面内载荷下,假设每层细观单胞的平均面内应变是一致的,在弯曲、横向剪切及扭曲等非面内载荷下,在内力等效条件下将沿厚度方向连续分布的宏观应力简化为阶梯状分布,忽略了每层细观单胞范围内宏观应力沿厚度方向的梯度变化,由此利用细观单胞模型实现宏观应力与细观应力之间的传递,再利用微观单胞可得到纤维尺度的微观应力。最后以一种三维机织复合材料为例,用上述多尺度耦合的模型逐级分析了材料的平均弹性常数,并沿相反方向,由宏观结构分析逐级计算出纤维束尺度和纤维尺度的细、微观应力的局部波动。     

基于颗粒离散元法的连接键应变软化模型及其应用

基于颗粒间的有限接触假设,提出了可表述颗粒间力、力矩传递的连接键模型. 为了表征连接键的塑性、损伤及断裂过程,在连接键中引入了考虑应变软化效应的Mohr-Coulomb 准则及最大拉应力准则. 单一连接键的单向拉伸测试及直剪测试表明了上述连接键应变软化模型的计算精度. 研究了颗粒体系的宏观应变能与颗粒平均配位数的对应关系. 通过计算发现,对于二维颗粒体系,当平均配位数为5 时,颗粒体系的宏观应变能与相同参数下连续介质方法(如有限元等) 计算获得的应变能基本一致. 利用上述连接键应变软化模型对岩石的单轴压缩过程进行了模拟,计算结果表明:岩石单轴压缩的应力应变曲线经历了线性上升段、非线性上升段、非线性下降段及缓变段等4 个阶段,并给出了上述4 个阶段与岩石内部损伤破裂状态的内在联系. 计算结果还表明,随着断裂应变的增大,岩石的破裂模式逐渐由拉剪复合型破裂向单一压剪型破裂转化;随着断裂应变的增大,峰值应力及达到峰值应力时的应变均逐渐增大,但峰值时的破裂度及终态时的破裂度将逐渐减小.