CN110688748A - 一种具有随机形状的单颗粒离散元数值试样建模方法 - Google Patents
一种具有随机形状的单颗粒离散元数值试样建模方法 Download PDFInfo
- Publication number
- CN110688748A CN110688748A CN201910886696.5A CN201910886696A CN110688748A CN 110688748 A CN110688748 A CN 110688748A CN 201910886696 A CN201910886696 A CN 201910886696A CN 110688748 A CN110688748 A CN 110688748A
- Authority
- CN
- China
- Prior art keywords
- particle
- particles
- spherical
- small
- contact
- Prior art date
- Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
- Pending
Links
Images
Landscapes
- Management, Administration, Business Operations System, And Electronic Commerce (AREA)
Abstract
本发明公开了一种具有随机形状的单颗粒离散元数值试样建模方法，通过删除球形颗粒集合体任意边界位置处的任意数目颗粒构建得到不规则形状单颗粒数值试样，包括以下步骤：设定计算区域边界；生成球形颗粒集合体；设定接触模型；消除颗粒间的作用效应；生成随机形状颗粒集合体；重新设定接触模型。本发明方法简便高效，以离散单元法为基础，实现了具有随机形状的单颗粒数值试样的构建，为进一步研究颗粒形状对颗粒材料力学及变形行为的影响提供了有效技术手段。
Description
技术领域
本发明涉及岩土工程数值计算方法，具体涉及一种具有随机形状的单颗粒离散元数值试样建模方法，属于岩土工程数值计算领域。
背景技术
颗粒材料在自然界中十分常见，如土壤颗粒、砂颗粒以及岩石碎块等。在进行工程建设过程中，所采用的建筑材料也常为天然颗粒材料，对于工程颗粒材料而言，除其自身物理组分以及颗粒尺寸外，颗粒形状也将对其力学性质产生十分显著的影响，从而进一步影响建筑工程整体的安全性和可靠性。由于复杂自然环境的作用，工程颗粒材料的形状特征通常较为复杂，并非规整球形，对于同一类别材料而言，其各个颗粒形状均存在区别，呈现出一定程度的随机化特征。为充分认识颗粒材料的力学变形行为特征，需在研究过程中充分考虑颗粒形状的随机化特征。
在对颗粒材料力学行为进行研究的过程中，为考虑颗粒形状的影响，通常需要进行大量的室内试验，消耗大量人力物理成本，而相较于室内试验而言，基于离散单元法数值试验的方法能较好地表征颗粒材料的力学行为，且能有效地提高试验效率并减小试验成本，因此被广泛应用于颗粒物质力学行为的研究之中。在进行基于离散单元法的数值试验时，颗粒形状通常被设定为球形，或通过外部导入特定的形状模型进行复杂形状颗粒的生成。通过上述方法所生成的颗粒具有单一形状，并未充分考虑颗粒形状的随机化特征，因此，有必要提出一种高效且简便可行的具有随机形状的单颗粒离散元数值试样建模方法。
发明内容
本发明的目的在于提出一种具有随机形状的单颗粒离散元数值试样建模方法，通过对球形颗粒集合体边界位置颗粒进行随机删除构造具有复杂形状的单颗粒，解决颗粒形状难以随机化等问题，并为进一步研究颗粒形状对颗粒材料力学行为的影响提供一种有效的技术手段。
为了达到上述目的，本发明的具体技术方案如下：
一种具有随机形状的单颗粒离散元数值试样建模方法，包括以下步骤：
a.设定计算区域边界：构建一大于数值试样尺寸的矩形计算区域，；
b.生成球形颗粒集合体：依据指定孔隙率，以半径为r的小球形颗粒填充一半径为R的球形区域；
c.设定接触模型：将小球形颗粒间的接触模型设定为线性接触模型，并设定相关接触模型参数及颗粒物理性质参数；
d.消除颗粒间的作用效应：使试样内部小球形颗粒在初始不平衡接触力作用下自由运动，每间隔一定计算时步将所有小球形颗粒平动速度和转动速度清零，逐步消除小球形颗粒间重叠量；
e.生成随机形状颗粒集合体：随机删除球形颗粒集合体任意边界位置一定数量小颗粒；
f.重新设定接触模型：将随机形状颗粒集合体内部小颗粒间接触模型设定为平行胶结模型，并设定相关模型参数。
进一步地，步骤b中，其孔隙率应小于0.2，球形区域半径于小球形颗粒半径比值为50。
进一步地，步骤c中，线性接触模型参数具体包括有效弹性模量，其他物理性质参数包括颗粒密度、重力加速度及阻尼系数。
进一步地，步骤d中，试样内部颗粒相互作用消除完成标准为试样内部颗粒接触作用力为零。
进一步地，步骤e中，随机删除球形颗粒集合体任意边界位置处一定数量的小颗粒以多重循环的方式进行，包括如下步骤：
e-0.构建一个球心与球形颗粒集合体相同，半径大于球形颗粒集合体的虚拟球状面；
e-1.获得球形颗粒集合体中小颗粒数目，给定所需删除的小颗粒数目k，给定任意一个正整数m，并进入步骤e-2；
e-2.初始化第一层循环，获取当前球形颗粒集合体中已删除的小颗粒数目，若已删除的小颗粒数目小于给定值k，则于虚拟球状面上随机获得一个参考点，并进入步骤e-3；
e-3.随机产生一个小于m的正整数n，并进入步骤e-4；
e-4.初始化第二层循环，循环次数为n，每次循环均删除球形颗粒集合体中与参考点距离最近的小球形颗粒，若达到指定循环次数，则返回步骤e-2；
进一步地，步骤f中，平行胶结模型参数具体包括颗粒间胶结有效杨氏模量、颗粒间胶结粘聚力、颗粒间胶结抗拉强度、颗粒间胶结内摩擦角。
与现有技术相比较，本发明具有以下有益技术效果：
1、本发明提供了一种具有随机形状的单颗粒离散元数值试样建模方法，基于离散单元法构建具有不规则形状的单颗粒数值试样，一方面实现了单颗粒数值试样形状的不规则化，另一方面实现了颗粒形状的随机化，为进一步研究颗粒形状对颗粒材料力学变形行为的影响提供了有效技术手段。
2、本发明的方法中，首先通过随机获取虚拟球状面的参考点实现删除颗粒位置的随机化，而后通过生成任意随机数实现删除颗粒数量的随机化，该算法简单高效，易于实现。
3、本发明的方法中，可通过控制参数对最终颗粒尺寸进行调控，在确保颗粒形状随机化的条件下，可同时确保颗粒尺寸的可控性。
附图说明
图1为一种具有随机形状的单颗粒离散元数值试样建模方法的流程图；
图2为本发明中步骤e的步骤流程图；
图3为本发明实施例提供的球形颗粒集合体数值试样图；
图4为本发明实施例提供的随机形状单颗粒数值试样图。
具体实施方式
为使本发明的目的、技术方案及优点更加清晰，以下结合附图及实施例，对本发明的具体实施方式进行说明。
一种具有随机形状的单颗粒离散元数值试样建模方法的具体流程如图1所示，包括以下步骤：
a.设定计算区域边界：构建一长宽高均为20 mm的矩形计算区域。
b.生成球形颗粒集合体：构建一球形为坐标原点，半径为5 mm的球形区域，采用颗粒半径为0.1 mm小球形颗粒填充进所构建球形区域；
在本发明中，所述球形颗粒集合体孔隙率为0.2，整体小颗粒数目为13100，球形颗粒集合体如图2所示。
c.设定接触模型：将小球形颗粒间的接触模型设定为线性接触模型，并设定相关接触模型参数及颗粒物理性质参数；
在本发明中，有效杨氏模量为1×106 Pa，接触刚度比为1.25，摩擦系数为0.5，颗粒密度为2650 kg/m3，重力加速度为-9.8 m/s2，阻尼系数为0.2。
d.消除颗粒间的作用效应：使试样内部小球形颗粒在初始不平衡接触力作用下自由运动，每间隔100个计算时步将所有小球形颗粒平动速度和转动速度清零，逐步降低小球形颗粒间重叠量减小以消除颗粒间接触作用力。
e.生成随机形状颗粒集合体：随机删除球形颗粒集合体任意边界位置一定数量小颗粒，使得颗粒集合体形状转变为任意随机形状；
在本发明中，步骤e的具体实施流程如图3所示，包括如下步骤：
e-0.构建一个球心与球形颗粒集合体相同，半径为5.1 mm的虚拟球状面；
e-1.获得球形颗粒集合体中小颗粒数目，为13100，给定所需删除的小颗粒数目k，给定任意一个正整数m，并进入步骤e-2；
在本发明中，各个实施例k值以及m值分别如下表所示：
e-2.初始化第一层循环，获取当前球形颗粒集合体中已删除的小颗粒数目，若已删除的小颗粒数目小于给定值k，则于虚拟球状面上随机获得一个参考点，并进入步骤e-3；
e-3.随机产生一个小于m的正整数n，并进入步骤e-4;
e-4.初始化第二层循环，循环次数为n，每次循环均删除球形颗粒集合体中与参考点距离最近的小球形颗粒，若达到指定循环次数，则返回步骤e-2。
f.重新设定接触模型：将随机形状颗粒集合体内部小颗粒间接触模型设定为平行胶结模型，并设定相关模型参数，获得最终具有随机形状的单颗粒数值试样；
初步设定颗粒间胶结接触模型参数，得到不同形状单颗粒离散元数值试样如图4所示。在本发明中，胶结有效杨氏模量为1×106 Pa，胶结粘聚力为1×1011 Pa，胶结抗拉强度为1×1011 Pa，胶结内摩擦角为30度。
Claims (6)
1.一种具有随机形状的单颗粒离散元数值试样建模方法，其特征在于，包括以下步骤：
a.设定计算区域边界：构建一大于数值试样尺寸的矩形计算区域，；
b.生成球形颗粒集合体：依据指定孔隙率，以半径为r的小球形颗粒填充一半径为R的球形区域；
c.设定接触模型：将小球形颗粒间的接触模型设定为线性接触模型，并设定相关接触模型参数及颗粒物理性质参数；
d.消除颗粒间的作用效应：使试样内部小球形颗粒在初始不平衡接触力作用下自由运动，每间隔一定计算时步将所有小球形颗粒平动速度和转动速度清零，逐步消除小球形颗粒间重叠量；
e.生成随机形状颗粒集合体：随机删除球形颗粒集合体任意边界位置一定数量小颗粒；
f.重新设定接触模型：将随机形状颗粒集合体内部小颗粒间接触模型设定为平行胶结模型，并设定相关模型参数。
2.根据权利要求1所述的一种具有随机形状的单颗粒离散元数值试样建模方法，其特征在于，步骤b中，其孔隙率应小于0.2，球形区域半径于小球形颗粒半径比值为50。
3.根据权利要求1所述的一种具有随机形状的单颗粒离散元数值试样建模方法，其特征在于，步骤c中，线性接触模型参数具体包括有效弹性模量、接触刚度比以及摩擦系数，其他物理性质参数包括颗粒密度、重力加速度及阻尼系数。
4.根据权利要求1所述的一种具有随机形状的单颗粒离散元数值试样建模方法，其特征在于，步骤d中，颗粒间接触作用消除完成标准为所有颗粒间接触作用力均为零。
5.根据权利要求1所述的一种具有随机形状的单颗粒离散元数值试样建模方法，其特征在于，步骤e中，随机删除球形颗粒集合体任意边界位置处一定数量的小颗粒以多重循环的方式进行，包括如下步骤：
e-0.构建一个球心与球形颗粒集合体相同，半径大于球形颗粒集合体的虚拟球状面，并进入步骤e-1；
e-1.获得球形颗粒集合体中小颗粒数目，给定所需删除的小颗粒数目k，给定任意一个正整数m，并进入步骤e-2；
e-2.初始化第一层循环，获取当前球形颗粒集合体中已删除的小颗粒数目，若已删除的小颗粒数目小于给定值k，则于虚拟球状面上随机获得一个参考点，并进入步骤e-3；
e-3.随机产生一个小于m的正整数n，并进入步骤e-4；
e-4.初始化第二层循环，循环次数为n，每次循环均删除球形颗粒集合体中与参考点距离最近的小球形颗粒，若达到指定循环次数，则返回步骤e-2。
6.根据权利要求1所述的一种具有随机形状的单颗粒离散元数值试样建模方法，其特征在于，步骤f中，平行胶结模型参数具体包括颗粒间胶结有效杨氏模量、颗粒间胶结粘聚力、颗粒间胶结抗拉强度、颗粒间胶结内摩擦角。
Priority Applications (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| CN201910886696.5A CN110688748A (zh) | 2019-09-19 | 2019-09-19 | 一种具有随机形状的单颗粒离散元数值试样建模方法 |
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| CN201910886696.5A CN110688748A (zh) | 2019-09-19 | 2019-09-19 | 一种具有随机形状的单颗粒离散元数值试样建模方法 |
Publications (1)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| CN110688748A true CN110688748A (zh) | 2020-01-14 |
Family
ID=69109513
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| CN201910886696.5A Pending CN110688748A (zh) | 2019-09-19 | 2019-09-19 | 一种具有随机形状的单颗粒离散元数值试样建模方法 |
Country Status (1)
| Country | Link |
|---|---|
| CN (1) | CN110688748A (zh) |
Cited By (4)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| CN113297781A (zh) * | 2021-05-10 | 2021-08-24 | 东南大学 | 一种基于内作用力的颗粒簇建模方法 |
| CN113361116A (zh) * | 2021-06-15 | 2021-09-07 | 浙江工业大学 | 按指定级配孔隙率生成均质土样的离散元土样制备方法 |
| CN113408124A (zh) * | 2021-06-16 | 2021-09-17 | 河海大学 | 一种不改变边界形状的颗粒体系伺服控制方法 |
| CN114925590A (zh) * | 2022-06-24 | 2022-08-19 | 中南大学 | 集料生成算法及再生水稳集料离散元数值模型构建方法 |
Citations (3)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| CN105740532A (zh) * | 2016-01-28 | 2016-07-06 | 重庆交通大学 | 母岩及其颗粒料的二维离散元模型构建方法 |
| CN108052690A (zh) * | 2017-11-02 | 2018-05-18 | 同济大学 | 一种考虑颗粒形状随机性的碎石土层离散元模拟方法 |
| CN108846186A (zh) * | 2018-06-04 | 2018-11-20 | 湘潭大学 | 一种考虑孔洞缺陷形状及其分布随机性的脆性材料离散元建模方法 |
-
2019
- 2019-09-19 CN CN201910886696.5A patent/CN110688748A/zh active Pending
Patent Citations (3)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| CN105740532A (zh) * | 2016-01-28 | 2016-07-06 | 重庆交通大学 | 母岩及其颗粒料的二维离散元模型构建方法 |
| CN108052690A (zh) * | 2017-11-02 | 2018-05-18 | 同济大学 | 一种考虑颗粒形状随机性的碎石土层离散元模拟方法 |
| CN108846186A (zh) * | 2018-06-04 | 2018-11-20 | 湘潭大学 | 一种考虑孔洞缺陷形状及其分布随机性的脆性材料离散元建模方法 |
Non-Patent Citations (4)
| Title |
|---|
| LIU Y: "Discrete element simulation of rock crushing considering different shape", 《APPL MECH MATER》 * |
| 吴野: "考虑钙质砂细观颗粒形状影响的液体拖曳力系数试验", 《岩土力学》 * |
| 周伦伦: "颗粒破碎与形状对颗粒材料力学性质影响的离散元研究", 《中国博士学位论文全文数据库 (基础科学辑)》 * |
| 胡日成: "土石混合体的数字图像离散元分析", 《中国优秀硕士学位论文全文数据库 (工程科技Ⅱ辑)》 * |
Cited By (7)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| CN113297781A (zh) * | 2021-05-10 | 2021-08-24 | 东南大学 | 一种基于内作用力的颗粒簇建模方法 |
| CN113297781B (zh) * | 2021-05-10 | 2024-03-29 | 东南大学 | 一种基于内作用力的颗粒簇建模方法 |
| CN113361116A (zh) * | 2021-06-15 | 2021-09-07 | 浙江工业大学 | 按指定级配孔隙率生成均质土样的离散元土样制备方法 |
| CN113361116B (zh) * | 2021-06-15 | 2024-04-09 | 浙江工业大学 | 按指定级配孔隙率生成均质土样的离散元土样制备方法 |
| CN113408124A (zh) * | 2021-06-16 | 2021-09-17 | 河海大学 | 一种不改变边界形状的颗粒体系伺服控制方法 |
| CN113408124B (zh) * | 2021-06-16 | 2023-08-22 | 河海大学 | 一种不改变边界形状的颗粒体系伺服控制方法 |
| CN114925590A (zh) * | 2022-06-24 | 2022-08-19 | 中南大学 | 集料生成算法及再生水稳集料离散元数值模型构建方法 |
Similar Documents
| Publication | Publication Date | Title |
|---|---|---|
| CN110688748A (zh) | 一种具有随机形状的单颗粒离散元数值试样建模方法 | |
| Jiang et al. | Bond rolling resistance and its effect on yielding of bonded granulates by DEM analyses | |
| Li et al. | Three-dimensional simulation of aggregate and asphalt mixture using parameterized shape and size gradation | |
| Donzé et al. | Advances in discrete element method applied to soil, rock and concrete mechanics | |
| Kuhn et al. | Investigation of cyclic liquefaction with discrete element simulations | |
| Collop et al. | Modelling dilation in an idealised asphalt mixture using discrete element modelling | |
| CN112199843B (zh) | 基于颗粒结构的岩石破裂演化细观模型构建方法 | |
| Tong et al. | DEM simulations of shear modulus and damping ratio of sand with emphasis on the effects of particle number, particle shape, and aging | |
| Cai et al. | Discrete element visco-elastic modelling of a realistic graded asphalt mixture | |
| CN105740532B (zh) | 母岩及其颗粒料的二维离散元模型构建方法 | |
| Chen et al. | Discrete element modeling of asphalt concrete cracking using a user-defined three-dimensional micromechanical approach | |
| Chen et al. | Numerical study of particle morphology effect on the angle of repose for coarse assemblies using DEM | |
| CN105588760B (zh) | 一种沥青混合料的单轴贯入方法 | |
| Amšiejus et al. | Investigation of the sand porosity via oedometric testing | |
| Wu et al. | Discrete element modeling of constant strain rate compression tests on idealized asphalt mixture | |
| Liu et al. | DEM simulation of creep in one-dimensional compression of crushable sand | |
| CN108256248B (zh) | 基于三维状态下级配碎石cbr数值试验方法 | |
| CN109376454A (zh) | 一种基于超椭圆方程的随机孔洞缺陷材料离散元建模方法 | |
| Lian et al. | Modelling pervious concrete under compression loading–a discrete element approach | |
| CN115311410A (zh) | 沥青混合料三维离散元模型构建方法、存储介质及设备 | |
| Ma et al. | Microstructure modeling and virtual test of asphalt mixture based on three-dimensional discrete element method | |
| Ding et al. | Study on macroscopic mechanical behavior and meso-failure evolution of gabbro of different particle sizes | |
| Gong et al. | Comparison of granular material behaviour under drained triaxial and plane strain conditions using 3D DEM simulations | |
| Gebbeken et al. | Masonry under dynamic actions—experimental investigations, material modeling and numerical simulations | |
| Shan et al. | Determination of parameters of the discrete element bond model for asphalt mixture based on splitting test |
Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
|---|---|---|---|
| PB01 | Publication | ||
| PB01 | Publication | ||
| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
| AD01 | Patent right deemed abandoned | ||
| AD01 | Patent right deemed abandoned |
Effective date of abandoning: 20230825 |