CN116629082A - 环连网离散元模拟方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种环连网离散元模拟方法，考虑拉弯协调受力及局部压扁作用，通过分区控制Bond键的法向和切向强度参数，实现网环拉弯协同受力计算；同时，分区独立控制网环接触滑移区和非接触区抗弯刚度，实现压扁效应计算；具体包括：网环单元DEM粒子等效的基本物性参数标定；弯曲区Bond键直径标定；弯曲区Bond键弹性模量标定；拉伸区Bond键直径标定；拉伸区Bond键弹性模量标定；Bond键剪切模量标定；Bond键法向强度和切向强度独立标定；整合上述步骤，分区域建立拉弯协调受力的环连网离散元模型，设置计算参数，进行运算，获得计算结果；本发明能够显著提升柔性环连网的计算精度。
Description
技术领域
本发明涉及地质灾害防护技术领域，特别是一种环连网离散元模拟方法。
背景技术
对于柔性环网的数值模拟方法，国内外研究人员多利用有限元方法建立数值模型，在FEM模型中，采用多段离散梁单元建立环网具有一定的缺点，当梁单元数量较少时，这种“以直代曲”的方法难以保证结果的准确性，梁单元数量较多时又会在很大程度上提高计算成本。目前，现有的离散元环连网数值模拟方法根据抗弯刚度或抗拉刚度进行参数等效，各Bond的力学参数相同，导致了数值网环的抗拉刚度过小或抗弯刚度过大的问题，即弯-拉受力不协调，显著影响了柔性防护工程的设计计算精度。
基于离散元方法建立柔性环网数值模型存在以下两个难题：
1、如何在离散元模型中解决网环受力过程中的弯-拉受力协调的问题。
2、如何综合考虑质量等效、网环接触区域压扁软化效应、接触区域破坏模式等因素，标定离散元模型中Bond键的截面尺寸、拉伸刚度、剪切刚度、极限强度。
发明内容
为解决现有技术中存在的问题，本发明的目的是提供一种环连网离散元模拟方法，本发明本发明能够显著提升柔性环连网的计算精度。
为实现上述目的，本发明采用的技术方案是：一种环连网离散元模拟方法，考虑拉弯协调受力及局部压扁作用，通过分区控制Bond键的法向和切向强度参数，实现网环拉弯协同受力计算；同时，分区独立控制网环接触滑移区和非接触区抗弯刚度，实现压扁效应计算；具体包括以下步骤：
(a)网环单元DEM粒子等效的基本物性参数标定；
(b)弯曲区Bond键直径标定；
(c)弯曲区Bond键弹性模量标定；
(d)拉伸区Bond键直径标定；
(e)拉伸区Bond键弹性模量标定；
(f)Bond键剪切模量标定；
(g)Bond键法向强度和切向强度独立标定；
(h)整合(a)-(g)，分区域建立拉弯协调受力的环连网离散元模型，设置计算参数，进行运算，获得计算结果。
作为本发明的进一步改进，步骤(a)中，所述网环由若干根特定直径，特定抗拉强度的钢丝缠绕nw圈形成，网环相互套结形成环形网片，网环的数值计算模型即为离散元模型；将圆形状的钢丝网环离散为若干个DEM粒子，并通过Bond键将DEM粒子连接形成网环。
作为本发明的进一步改进，所述DEM粒子物性参数包括：直径dDEM、数量n和密度ρDEM，并按照质量等效原则标定DEM粒子的密度，按照网环截面直径和周长标定DEM粒子的直径和数量；等效方法为：
l0＝ndDEM；nwl0A0ρ0＝nVDEMρDEM；
其中，l0、ρ0、nw和A0分别为网环周长、实际材料密度、钢丝缠绕圈数、单根钢丝的截面面积；n、dDEM、VDEM和ρDEM分别为构成单根网环的DEM粒子数量、DEM粒子直径、单个DEM粒子的体积和DEM粒子的密度。
作为本发明的进一步改进，在步骤(b)和步骤(c)中，Bond键的参数标定应考虑网环受力过程中的弯曲受力阶段，在以弯曲内力起主要控制作用的接触区域根据抗弯截面模量等效原则标定Bond键的直径，该区域弹性模量应当考虑网环接触区域压扁软化效应，按照截面抗弯刚度等效原则进行标定，等效方法为：
其中，nw为钢丝缠绕圈数；d0为实际单根钢丝的直径；d1,eq为接触区域Bond键的直径；E0为实际弹性模量；E1,eq为接触区域的弹性模量；A为钢丝的总截面面积；ΔL为试验结果力-位移曲线拉伸段的长度变化量；ΔF为试验结果力-位移曲线拉伸段的力变化量。
作为本发明的进一步改进，在步骤(d)和步骤(e)中，Bond键的参数标定应考虑网环受力过程中的轴拉受力阶段，受拉区，即非接触区域Bond的直径按照面积等效原则进行标定，弹性模量按照截面抗拉刚度等效原则进行标定，等效方法为：
其中，d2,eq为非接触区域Bond键的直径；E2,eq为非接触区域的弹性模量。
作为本发明的进一步改进，在步骤(f)中，Bond键的剪切模量根据材料弹性模量和泊松比标定，标定方法为：
其中，E为接触区域或非接触区域Bond的弹性模量，G为相对应区域的剪切模量，ν为材料泊松比。
作为本发明的进一步改进，在步骤(g)中，网环破坏模式和破断力峰值根据轴拉试验标定，根据试验破坏现象，不断调整数值模型强度参数进行试错计算，使得数值模型与实际网环破断位置和破断力峰值保持一致，从而标定Bond键的极限法向强度和极限切向强度。
本发明的有益效果是：
1、本发明基于离散元方法建立了用于研究柔性环网非线性特性研究的数值模型，分区域相互独立地控制Bond的弹性模量、剪切模量、半径、强度等力学参数，从而实现了弯-拉协调受力，解决了有限元方法中网环弯-拉协调的难题；
2、该模型综合考虑了质量等效、网环接触区域压扁软化效应、接触区域破坏模式等因素，标定了离散元模型中Bond键的力学性能参数，提高了环连网DEM模型的计算精度。
附图说明
图1为本发明实施例1的流程图；
图2为本发明实施例1中DEM模型Bond键破坏机理示意图；
图3为本发明实施例1中单环准静态拉伸试验反演过程示意图；
图4为本发明实施例1中三环环链准静态拉伸试验反演过程示意图；
图5为本发明实施例1中环网顶破力学试验反演过程示意图；
图6为本发明实施例2中DEM模型Bond键弹性模量标定示意图。
具体实施方式
下面结合附图对本发明的实施例进行详细说明。
实施例1
如图1、图2、图3、图4和图5所示，本实施例提供了一种考虑拉弯协调受力及局部压扁作用的环连网离散元模拟方法，其包括以下步骤：
(a)DEM粒子物性参数标定，标定数值模型中DEM粒子的密度、直径和数量；可根据网环截面直径和周长标定DEM粒子的直径和数量，再根据质量等效确定DEM粒子的密度，等效方法为：
l0＝ndDEM；nwl0A0ρ0＝nVDEMρDEM；
其中，l0、ρ0、nw和A0分别为网环周长、实际材料密度、钢丝缠绕圈数、单根钢丝的截面面积；n、dDEM、VDEM和ρDEM分别为构成单根网环的DEM粒子数量、DEM粒子直径、单个DEM粒子的体积和DEM粒子的密度；
(b)弯曲区Bond键直径和弹性模量标定；
网环受力过程分为弯-拉两阶段，第一阶段网环率先在接触区域发生弯曲变形，网环由圆形逐渐变为椭圆形，此阶段网环以受弯为主。故受弯区域Bond键直径根据抗弯截面模量等效原则标定，弹性模量根据抗弯刚度等效原则标定，标定方法为：
其中，nw为钢丝缠绕圈数；d0为实际单根钢丝的直径；d1,eq为接触区域Bond键的直径；E0为实际弹性模量；E1,eq为接触区域的弹性模量；A为钢丝的总截面面积；ΔL为试验结果力-位移曲线拉伸段的长度变化量；ΔF为试验结果力-位移曲线拉伸段的力变化量；
(c)拉伸区Bond键直径和弹性模量标定；
第二阶段网环逐渐由椭圆形变为长方形，此阶段以非接触区域的网环受拉为主，受拉区域Bond键直径根据截面面积等效原则标定，弹性模量根据抗拉刚度等效原则标定，等效方法为：
其中，d2,eq为非接触区域Bond键的直径；E2,eq为非接触区域的弹性模量；
(d)Bond键剪切模量标定；
Bond键的剪切模量根据材料弹性模量和泊松比标定，标定方法为：
其中，E为接触区域或非接触区域Bond的弹性模量，G为相对应区域的剪切模量，ν为材料泊松比；
(e)Bond键强度标定，在确定上述力学参数之后，不断调整数值模型的强度参数进行试错验算，使得数值模型与实际网环破断位置和破断力峰值保持一致；
(g)整合(a)-(e)，建立基于离散元方法的柔性环形网片数值模型，设置计算参数，进行运算，获得计算结果。
实施例2
本实施案例提供了一种考虑拉弯协调受力及局部压扁作用的环连网离散元模拟方法，反演某次网环拉伸试验，具体步骤如下：
(1)DEM粒子物性参数标定。试验网环直径为300mm，由5根直径为3mm的钢丝缠绕形成(后文统称为R5)，钢丝密度为7800kg/m3，弹性模量为2.0e+11Pa。取DEM粒子的直径为9mm，通过公式l0＝ndDEM可计算得到单圈网环需要100个DEM粒子，再通过公式nwl0A0ρ0＝nVDEMρDEM可计算得到DEM粒子密度为6891kg/m3；
其中，l0、ρ0、nw和A0分别为网环周长、实际材料密度、钢丝缠绕圈数、单根钢丝的截面面积；n、dDEM、VDEM和ρDEM分别为构成单根网环的DEM粒子数量、DEM粒子直径、单个DEM粒子的体积和DEM粒子的密度；
(2)接触区Bond键直径和弹性模量标定。实际弹性模量根据公式进行标定，如图6所示；
接触区域(根据试验现象和经验，可按网环周长的1/8考虑)Bond键直径根据公式进行标定，即/>弹性模量/>
其中，E0为实际弹性模量；A为钢丝的总截面面积；ΔL为试验结果力-位移曲线拉伸段的长度变化量；ΔF为试验结果力-位移曲线拉伸段的力变化量；W0为抗弯截面系数；nw为钢丝缠绕圈数；d0为实际单根钢丝的直径；d1,eq为接触区域Bond键的直径；E1,eq为接触区域的弹性模量；
(3)非接触区Bond键直径和弹性模量标定。非接触区域Bond键直径根据公式进行标定，即/>非接触区域弹性模量按照抗拉刚度等效原则进行标定，标定方法为：
E2,eq＝E0＝3.6e+10Pa
其中，E0为实际弹性模量；A0为钢丝的总截面面积；nw为钢丝缠绕圈数；E2,eq为非接触区域的弹性模量；d2,eq为非接触区域Bond键的直径；
(4)Bond键剪切模量标定。Bond键的剪切模量根据材料弹性模量和泊松比标定，标定方法为：
其中，Geq,1和Geq,2分别为接触区域和非接触区域Bond的剪切模量；
(5)Bond键法向强度和切向强度标定。针对网环R5，Bond键法向强度为6.0e+09Pa，Bond键切向强度为1e+09Pa；
(6)整合(1)-(5)，建立基于离散元方法的柔性环形网片数值模型，设置计算参数，进行运算，获得计算结果。
实施例3
一种考虑拉弯协调受力及局部压扁作用的环连网离散元模拟方法，分区控制Bond键的法向和切向强度参数，实现网环拉-弯协同受力计算；同时，分区独立控制网环接触滑移区和非接触区抗弯刚度，实现压扁效应计算。实施包括以下步骤：
(a)网环单元DEM粒子等效的基本物性参数标定；
(b)弯曲区Bond键直径标定；
(c)弯曲区Bond键弹性模量标定；
(d)拉伸区Bond键直径标定；
(e)拉伸区Bond键弹性模量标定；
(f)Bond键剪切模量标定；
(g)Bond键法向强度和切向强度独立标定；
(h)整合(a)-(g)，分区域建立拉弯协调受力的环连网离散元模型，设置计算参数，进行运算，获得计算结果。
针对网环单元的粒子化等效的基本物性参数标定，主要依据网环的钢丝缠绕nw圈，钢丝截面积A0，钢丝抗拉强度等；将圆柱形状的钢丝网环离散为若干个分布于网环周圈的DEM粒子，并通过Bond键将DEM粒子连接形成网环；
DEM粒子物性参数包括直径dDEM、数量n和密度ρDEM，可根据网环截面直径和周长标定DEM粒子的直径和数量，再根据质量等效原则确定DEM粒子的密度，等效方法为：
l0＝ndDEM；nwl0A0ρ0＝nVDEMρDEM；
其中，l0、ρ0、nw和A0分别为网环周长、实际材料密度、钢丝缠绕圈数、单根钢丝的截面面积；n、dDEM、VDEM和ρDEM分别为构成单根网环的DEM粒子数量、DEM粒子直径、单个DEM粒子的体积和DEM粒子的密度；
针对网环单元的弯-拉复合受力特性，即：初始受力阶段，网环主要以接触区域的网环局部弯曲变形为主，同时，网环沿全周伴随产生了较小的弹性弯曲变形；后续受力加大阶段，网环以非接触区域的拉伸变形为主。所以，根据网环拉伸的受力特性，分区域建立离散元网环数值模型，即：弯曲区(接触区)Bond键的直径按照截面的抗弯截面模量等效原则确定，弹性模量根据抗弯刚度等效原则确定，等效方法为：
其中，nw为钢丝缠绕圈数；d0为实际单根钢丝的直径；d1,eq为接触区域Bond键的直径；E0为实际弹性模量；E1,eq为接触区域的弹性模量；A为钢丝的总截面面积；ΔL为试验结果力-位移曲线拉伸段的长度变化量；ΔF为试验结果力-位移曲线拉伸段的力变化量；
拉伸区(非接触区)Bond键的直径按照截面的面积等效原则确定，弹性模量根据抗拉刚度等效原则确定，等效方法为：
其中，d2,eq为非接触区域Bond键的直径；E2,eq为非接触区域的弹性模量；
Bond键的剪切模量根据材料弹性模量和泊松比标定，标定方法为：
其中，E为接触区域或非接触区域Bond的弹性模量，G为相对应区域的剪切模量，ν为材料泊松比；
在确定上述力学参数之后，Bond键的法向强度和切向强度可通过对数值模型试错标定，确保破断时的破断力峰值、破坏位置和形态与试验保持一致；
步骤(b)-(c)中，Bond键的参数标定应考虑网环受力过程中的弯曲受力阶段，在以弯曲内力起主要控制作用的接触区域根据抗弯截面模量等效原则标定Bond键的直径，该区域弹性模量应当考虑网环接触区域压扁软化效应，按照截面抗弯刚度等效原则进行标定。
步骤(d)-(e)中，Bond键的参数标定应考虑网环受力过程中的轴拉受力阶段，网环非接触区域Bond键的弹性模量根据抗拉刚度等效原则进行标定；
步骤(f)中，离散元模型的Bond键的剪切模量根据材料弹性模量和泊松比标定。
步骤(g)中，离散元模型的Bond键的强度根据轴拉试验和数值模拟结果对比进行标定，应当考虑数值模型的破坏模式和破断力与试验保持一致。
以上所述实施例仅表达了本发明的具体实施方式，其描述较为具体和详细，但并不能因此而理解为对本发明专利范围的限制。应当指出的是，对于本领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干变形和改进，这些都属于本发明的保护范围。
Claims (7)
1.一种环连网离散元模拟方法，其特征在于，考虑拉弯协调受力及局部压扁作用，通过分区控制Bond键的法向和切向强度参数，实现网环拉弯协同受力计算；同时，分区独立控制网环接触滑移区和非接触区抗弯刚度，实现压扁效应计算；具体包括以下步骤：
(a)网环单元DEM粒子等效的基本物性参数标定；
(b)弯曲区Bond键直径标定；
(c)弯曲区Bond键弹性模量标定；
(d)拉伸区Bond键直径标定；
(e)拉伸区Bond键弹性模量标定；
(f)Bond键剪切模量标定；
(g)Bond键法向强度和切向强度独立标定；
(h)整合(a)-(g)，分区域建立拉弯协调受力的环连网离散元模型，设置计算参数，进行运算，获得计算结果。
2.根据权利要求1所述的环连网离散元模拟方法，其特征在于，步骤(a)中，所述网环由若干根特定直径，特定抗拉强度的钢丝缠绕nw圈形成，网环相互套结形成环形网片，网环的数值计算模型即为离散元模型；将圆形状的钢丝网环离散为若干个DEM粒子，并通过Bond键将DEM粒子连接形成网环。
3.根据权利要求2所述的环连网离散元模拟方法，其特征在于，所述DEM粒子物性参数包括：直径dDEM、数量n和密度ρDEM，并按照质量等效原则标定DEM粒子的密度，按照网环截面直径和周长标定DEM粒子的直径和数量；等效方法为：
l0＝ndDEM；nwl0A0ρ0＝nVDEMρDEM；
其中，l0、ρ0、nw和A0分别为网环周长、实际材料密度、钢丝缠绕圈数、单根钢丝的截面面积；n、dDEM、VDEM和ρDEM分别为构成单根网环的DEM粒子数量、DEM粒子直径、单个DEM粒子的体积和DEM粒子的密度。
4.根据权利要求3所述的环连网离散元模拟方法，其特征在于，在步骤(b)和步骤(c)中，Bond键的参数标定应考虑网环受力过程中的弯曲受力阶段，在以弯曲内力起主要控制作用的接触区域根据抗弯截面模量等效原则标定Bond键的直径，该区域弹性模量应当考虑网环接触区域压扁软化效应，按照截面抗弯刚度等效原则进行标定，等效方法为：
E0＝ΔFL/ΔLA
其中，nw为钢丝缠绕圈数；d0为实际单根钢丝的直径；d1,eq为接触区域Bond键的直径；E0为实际弹性模量；E1,eq为接触区域的弹性模量；A为钢丝的总截面面积；ΔL为试验结果力-位移曲线拉伸段的长度变化量；ΔF为试验结果力-位移曲线拉伸段的力变化量。
5.根据权利要求4所述的环连网离散元模拟方法，其特征在于，在步骤(d)和步骤(e)中，Bond键的参数标定应考虑网环受力过程中的轴拉受力阶段，受拉区，即非接触区域Bond的直径按照面积等效原则进行标定，弹性模量按照截面抗拉刚度等效原则进行标定，等效方法为：
E2,eq＝E0
其中，d2,eq为非接触区域Bond键的直径；E2,eq为非接触区域的弹性模量。
6.根据权利要求5所述的环连网离散元模拟方法，其特征在于，在步骤(f)中，Bond键的剪切模量根据材料弹性模量和泊松比标定，标定方法为：
其中，E为接触区域或非接触区域Bond的弹性模量，G为相对应区域的剪切模量，ν为材料泊松比。
7.根据权利要求6所述的环连网离散元模拟方法，其特征在于，在步骤(g)中，网环破坏模式和破断力峰值根据轴拉试验标定，根据试验破坏现象，不断调整数值模型强度参数进行试错计算，使得数值模型与实际网环破断位置和破断力峰值保持一致，从而标定Bond键的极限法向强度和极限切向强度。
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Also Published As
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