CN111125917A - 一种含内孔隙的单颗粒离散元模型构建方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种含内孔隙的单颗粒离散元模型构建方法，包括以下步骤：设定单颗粒模型生成边界；构建无孔隙单颗粒模型；建立颗粒内孔隙分布状态信息；删除颗粒内部多面块体；设定接触模型及模型参数。本发明方法便捷高效，原理简单，可构造含显著内孔隙的单颗粒离散元数值模型，为进一步认识单颗粒微观结构对其力学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，具体涉及一种含内孔隙的单颗粒离散元模型构建方法，属于岩土工程数值计算领域。
背景技术
颗粒材料在自然界广泛分布，由于天然颗粒形成过程复杂的外部环境作用，易于在颗粒内部形成封闭内孔隙。对于岩土工程问题而言，其所面向研究对象常为颗粒材料，而内孔隙的存在将显著影响颗粒材料力学行为，从而进一步影响实际工程的安全性和稳定性。为充分认识颗粒材料力学行为特征，常通过室内试验的方式对其进行研究，而颗粒内孔隙对其力学行为的影响难以通过室内试验的方式获取，为实现该目的并节约室内试验成本，往往需通过数值试验的手段对天然颗粒材料的物理力学行为进行精细化研究。目前已有离散单元法、有限单元法以及非连续变形分析方法等多种数值方法可实现天然颗粒材料力学行为的表征。离散单元作为一种可同时反应散粒体材料宏细观物理力学行为的数值计算方法，已被广泛应用于天然颗粒物理力学行为的研究上，然而，离散单元法通常采用球形颗粒作为基本模型构建的基本组成单元，因此，其所构建的模型内部常存在不可消除的孔隙，无法充分反应颗粒内部结构特征。为使得数值计算结果与实际情况更为接近，需充分考虑天然颗粒材料内部微观结构信息。目前常采用随机化方法对数值模型中的力学参数进行随机调整来反应颗粒内部结构特征的随机化特征，但该方法并不能从物理层面上表征颗粒内部结构，因此，难以通过该种方式对颗粒内部结构演化过程进行细致分析和讨论。基于以上所述的技术现状，有必要提出一种含内孔隙的单颗粒离散元模型构建方法。
发明内容
本发明的目的在于提出一种含内孔隙的单颗粒离散元模型构建方法，通过对采用块体单元填充颗粒轮廓模型构建内部无孔隙离散元颗粒模型，并利用颗粒内部孔隙结构特征对无孔隙离散元颗粒模型内部构造块体进行删除，实现颗粒内部孔隙特征的表征。
为了达到上述目的，本发明的具体技术方案如下：
一种含内孔隙的单颗粒离散元模型构建方法，包括以下步骤：
a.设定单颗粒模型生成边界：指定一大于单颗粒模型尺寸的计算区域；
b.构建无孔隙单颗粒模型：构建单颗粒外部三维轮廓，并利用多面块体紧密填充进单颗粒三维外部轮廓中得到无孔隙单颗粒模型；
c.建立颗粒内孔隙分布状态信息；
d.删除颗粒内部多面块体：依据内孔隙分布状态信息，删除无孔隙单颗粒模型内部相应位置的多面块体；
e.设定接触模型及模型参数：将单颗粒模型内部多面块体间接触模型设定为平行胶结模型，并设定相关模型参数及物理参数。
进一步地，步骤b中，单颗粒外部三维轮廓可通过三维扫描方式获取。
进一步地，步骤b中，构造单颗粒模型所采用填充多面块体应为四面体。
进一步地，步骤c中，颗粒内孔隙分布状态信息可通过三维扫描方式获取。
进一步地，步骤e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，物理参数包括颗粒密度以及重力加速度。
与现有技术相比较，本发明具有以下有益技术效果：
本发明提供了一种含内孔隙的单颗粒离散元模型构建方法，该方法采用多面块体作为离散元模型构成基本单元，使得基本单元之间不存在显著孔隙，从而构造得到无孔隙单颗粒离散元数值模型，并可在此基础上通过移除内部多面块体构造内孔隙。该方法为认识天然颗粒材料微观结构与宏观力学行为之间的关系提供了有效技术手段，此外，通过引入多面块体单元技术实现了离散元模型内部无孔隙化，使得数值模型更为接近实际物理模型。另，该方法原理清晰，高效简便，可为离散元数值试验节省大量计算成本。
附图说明
图1为一种含内孔隙的单颗粒离散元模型构建方法的流程图；
图2为本发明实施例提供的多面块体图；
图3为本发明实施例提供的含内孔隙单颗粒模型图。
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。
一种含内孔隙的单颗粒离散元模型构建方法具体流程如图1所示，包括以下步骤。
a.设定单颗粒模型生成边界：指定一六边长均为10 mm正方体计算区域作为单颗粒模型生成的有效区域。
b.构建无孔隙单颗粒模型：构建单颗粒外部三维轮廓，并利用多面块体紧密填充进单颗粒三维外部轮廓中得到无孔隙单颗粒模型，在本发明中，单颗粒外部轮廓假定为一直径为2.0 mm的球形，单颗粒模型所采用填充多面块体为四面体，如图2所示。
c.建立颗粒内孔隙分布状态信息：构造位于球形颗粒试样中心内部长为1.0 mm直径为0.2 mm 圆柱形封闭孔隙，孔隙形心与球形颗粒形心位置重合。
d.删除颗粒内部多面块体：依据步骤c中所构建的圆柱形封闭孔隙信息，，删除无孔隙单颗粒模型内部相应位置的多面块体，构造得到颗粒内部孔隙。
e.设定接触模型及模型参数：将单颗粒模型内部多面块体间接触模型设定为平行胶结模型，并设定相关模型参数及物理参数。
在本发明中，平行胶结模型中的颗粒间胶结有效杨氏模量为1×106 Pa，颗粒间胶结粘聚力1×108 Pa，颗粒间胶结抗拉强度1×108 Pa，颗粒间胶结内摩擦角为30°。另，颗粒密度设定为2650 kg/m3，重力加速度设定为-9.8 m/s2。最终得到含内孔隙的单颗粒离散元模型如图3所示。
Claims (5)
1.一种含内孔隙的单颗粒离散元模型构建方法，其特征在于，包括以下步骤：
a.设定单颗粒模型生成边界：指定一大于单颗粒模型尺寸的计算区域；
b.构建无孔隙单颗粒模型：构建单颗粒外部三维轮廓，并利用多面块体紧密填充进单颗粒三维外部轮廓中得到无孔隙单颗粒模型；
c.建立颗粒内孔隙分布状态信息；
d.删除颗粒内部多面块体：依据内孔隙分布状态信息，删除无孔隙单颗粒模型内部相应位置的多面块体；
e.设定接触模型及模型参数：将单颗粒模型内部多面块体间接触模型设定为平行胶结模型，并设定相关模型参数及物理参数。
2.根据权利要求1所述的一种含内孔隙的单颗粒离散元模型构建方法，其特征在于，步骤b中，单颗粒外部三维轮廓可通过三维扫描方式获取。
3.根据权利要求1所述的一种含内孔隙的单颗粒离散元模型构建方法，其特征在于，步骤b中，构造单颗粒模型所采用填充多面块体应为四面体。
4.根据权利要求1所述的一种含内孔隙的单颗粒离散元模型构建方法，其特征在于，步骤c中，颗粒内孔隙分布状态信息可通过三维扫描方式获取。
5.根据权利要求1所述的一种含内孔隙的单颗粒离散元模型构建方法，其特征在于，步骤e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，物理参数包括颗粒密度以及重力加速度。
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