论文摘要
自然界和工业生产中广泛存在球形、多面体等形状的颗粒/块体材料。本文在传统二维多边形块体单元非连续变形分析（Discontinuous Deformation Analysis,DDA）方法基础之上,发展了一种混合形状块体单元DDA方法,将可变形多边形块体单元及刚性圆形颗粒耦合在统一的数值模拟框架下,将其称为颗粒-块体非连续变形分析方法（Particle-Block DDA,PB-DDA）。首先,将圆形颗粒单元的平衡方程与传统DDA方法进行耦合,得到PB-DDA方法的总体平衡方程,并进行程序实现和求解。随后,对引入圆形颗粒单元后的新的接触模型进行研究,在程序中实现不同类型接触的搜索、判断、接触状态传递等功能,并引入颗粒之间的粘接强度,实现圆形颗粒对连续体的描述。用简单的颗粒块体混合模型算例验证了程序中的接触判断、接触力、摩擦角、粘接强度的正确性,并将PB-DDA方法应用于散体材料筛分及休止角的模拟,证明了该算法在颗粒材料模拟中的可行性。最后,将PB-DDA方法应用于多边形块体、圆形颗粒耦合的边坡模型,数值再现了边坡失稳全过程,证明了该方法对于复杂模型的计算能力。具体研究工作概括如下:（1）在DDA框架之下推导了圆形颗粒单元的块体变形子矩阵、点载荷子矩阵、体积载荷子矩阵、惯性力子矩阵等,并将其与传统DDA方法进行耦合。将新增的角-圆接触、边-圆接触、圆-圆接触转化为传统DDA中的角-边接触、边-边接触,简化并有效处理新增接触形式。在程序中对总体平衡方程式的建立和求解,以及接触搜索、接触判断、接触传递、接触弹簧施加等进行实现。通过在圆形颗粒上设定接触短边,完成颗粒之间粘接强度的计算功能,其中颗粒法向粘接破坏采用最大拉应力准则,切向粘接破坏采用莫尔库仑强度准则。（2）通过静态简单拉伸和剪切模型的计算,验证了静态颗粒块体之间的法向、切向接触力。通过小球的完全弹性动态碰撞模拟,验证了颗粒在碰撞中的接触力。通过模拟小球在斜面上的滑落,验证了PB-DDA算法中摩擦处理和摩擦力计算的正确性。通过由颗粒单元组成的悬臂梁在均布载荷下的变形计算,分析了悬臂梁的弹性模量受小球接触弹簧刚度的影响情况。通过对规则排列和紧密排列的颗粒粘接模型进行单轴拉伸模拟,得出了粘接材料的整体强度与粘接强度相关。（3）用PB-DDA方法对散体介质进行了模拟,分别研究了大米滚筒分级机的筛分过程与机理,以及散体颗粒材料的堆积休止角问题,证明了PB-DDA方法在模拟分析散体筛分机理及在散体材料休止角模拟分析上的能力。PB-DDA为散体材料的模拟提供了一种新方法。（4）用PB-DDA方法对含散体颗粒及连续岩体的边坡进行了边坡失稳模拟,模拟再现了边坡失稳的过程。通过分层岩质边坡模型的模拟,再现了粘接颗粒的粒间破坏,表明了PB-DDA方法对于复杂接触问题的处理能力和应用潜力。
论文目录
文章来源
类型: 硕士论文
作者: 郭璇
导师: 甯尤军,罗明
关键词: 颗粒,接触,散体,耦合
来源: 西南科技大学
年度: 2019
分类: 基础科学,工程科技Ⅱ辑
专业: 地质学,建筑科学与工程
单位: 西南科技大学
分类号: TU457
总页数: 64
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