一种离散元模拟中的细观参数标定方法技术

本发明专利技术公开了一种离散元模拟中的细观参数标定方法，法向刚度、颗粒摩擦系数和黏性阻尼率三种细观参数，具体步骤如下：步骤1，标定法向刚度Kn：步骤1.1：先假定一个法向刚度；步骤1.1.1：再做数值侧限压缩实验并得到竖向压力‑位移曲线；步骤1.2：判断步骤1.1.1得到的竖向压力‑位移曲线是否和参考实验(室内实验)吻合；步骤1.3：如吻合，即假定法向刚度就是颗粒材料的真实法向刚度，确定法向刚度Kn，如不吻合，改变法向刚度的值并重复步骤1.1.1与步骤1.2；步骤2，标定颗粒摩擦系数：步骤2.1：采用步骤1.3得出的法向刚度Kn。优点在于：将主要标定对象有：法向刚度，颗粒之间摩擦系数和黏性阻尼率能较好地进行标定，方便进行离散元技术的研究。

【技术实现步骤摘要】
一种离散元模拟中的细观参数标定方法
本专利技术涉及离散元数值仿真模拟
，尤其涉及一种离散元模拟中的细观参数标定方法。
技术介绍
离散元法是专门用来解决不连续介质问题的数值模拟方法。该方法把节理岩体视为由离散的岩块和岩块间的节理面所组成,允许岩块平移、转动和变形,而节理面可被压缩、分离或滑动。因此,岩体被看作一种不连续的离散介质。其内部可存在大位移、旋转和滑动乃至块体的分离,从而可以较真实地模拟节理岩体中的非线性大变形特征。离散元法的一般求解过程为:将求解空间离散为离散元单元阵,并根据实际问题用合理的连接元件将相邻两单元连接起来；单元间相对位移是基本变量,由力与相对位移的关系可得到两单元间法向和切向的作用力；对单元在各个方向上与其它单元间的作用力以及其它物理场对单元作用所引起的外力求合力和合力矩,根据牛顿运动第二定律可以求得单元的加速度；对其进行时间积分,进而得到单元的速度和位移。从而得到所有单元在任意时刻的速度、加速度、角速度、线位移和转角等物理量。离散元技术在岩土、矿冶、农业、食品、化工、制药和环境等领域有广泛地应用，可分为分选、凝聚、混合、装填和压制、推铲、储运、粉碎、爆破、流态化等过程。颗粒离散元法在上述领域均有不少应用：料仓卸料过程的模拟；堆积、装填和压制；颗粒混合过程的模拟。离散元法在岩土工程、地质工程和能源开采领域也具有广泛的应用价值。在离散元数值仿真模拟中，细观参数的标定是最关键的问题之一，主要细观参数为：法向刚度、颗粒之间摩擦系数和黏性阻尼率。这三个量一旦确定，离散元数值模拟的结果就可以很好的代表实际试验材料的力学试验。而现有技术中没有好的方法来标定。为解决上述问题，我们提出了一种离散元模拟中的细观参数标定方法。
技术实现思路
本专利技术的目的是为了解决
技术介绍
中的问题，而提出的一种离散元模拟中的细观参数标定方法。为了实现上述目的，本专利技术采用了如下技术方案：一种离散元模拟中的细观参数标定方法，法向刚度、颗粒摩擦系数和黏性阻尼率三种细观参数，具体步骤如下：步骤1，标定法向刚度Kn：步骤1.1：先假定一个法向刚度；步骤1.1.1：再做数值侧限压缩实验并得到竖向压力-位移曲线；步骤1.2：判断步骤1.1.1得到的竖向压力-位移曲线是否和参考实验(室内实验)吻合；步骤1.3：如吻合，即假定法向刚度就是颗粒材料的真实法向刚度，确定法向刚度Kn，如不吻合，改变法向刚度的值并重复步骤1.1.1与步骤1.2；步骤2，标定颗粒摩擦系数：步骤2.1：采用步骤1.3得出的法向刚度Kn，先假定一个摩擦系数；步骤2.1.1：再做数值休止角试验并得到数值休止角；步骤2.2：判断数值休止角是否和实验测定的休止角一致；步骤2.3：如一致，即假定摩擦系数就是材颗粒真实的摩擦系数，如果不一致，改变颗粒摩擦系数的值并重复步骤2.1.1与步骤2.2；步骤3，标定黏性阻尼率：采用数值自由落体，由恢复系数和黏性阻尼率的关系确定颗粒之间黏性阻尼率。在上述的离散元模拟中的细观参数标定方法中，步骤3中所述的“采用数值自由落体，由恢复系数和黏性阻尼率的关系确定颗粒之间黏性阻尼率”的具体步骤如下：假设自由落体运动方程为：式中，k为球和地面的综合接触刚度；y为纵坐标，即物体距离地面高度；R为颗粒半径；m为颗粒质量；g为重力加速度；c为阻尼；初始条件为：根据式(I)与(II)解析解为：1)位移：2)速度：3)加速度：对于单颗粒和固定刚体的碰撞，恢复系数的定义是颗粒碰撞后和碰撞前的速度比值，即式中υafter是颗粒碰撞后的速度，υbefore是颗粒碰撞后的速度；其实质是描述碰撞过程中的能量的耗散多少，恢复系数也可以用能量来表示，即式中Eafter是颗粒碰撞后的动能，Ebefore是颗粒碰撞后的动能；根据式(III)、(IV)、(V)、(VI)和(VII)并经过分析得，黏性阻尼率β的值按下式：β＝a·Crb+a＝0.7267Cr-0.4331-0.7267。与现有的技术相比，本离散元模拟中的细观参数标定方法的优点在于：本专利技术公开了一种离散元线性模型细观参数的标定方法，将主要标定对象有：法向刚度，颗粒之间摩擦系数和黏性阻尼率能较好地进行标定，方便进行离散元技术的研究。附图说明图1为本专利技术提出的一种离散元模拟中的细观参数标定方法标定法向刚度中的参考试验与模拟数据的几何示意图；图2为本专利技术提出的一种离散元模拟中的细观参数标定方法数值休止角的实验示意图；图3为本专利技术提出的一种离散元模拟中的细观参数标定方法数值自由落体的示意图。具体实施方式以下实施例仅处于说明性目的，而不是想要限制本专利技术的范围。实施例参照图1-3，一种离散元模拟中的细观参数标定方法，法向刚度、颗粒摩擦系数和黏性阻尼率三种细观参数，具体步骤如下：步骤1，标定法向刚度Kn：步骤1.1：先假定一个法向刚度；步骤1.1.1：再做数值侧限压缩实验并得到竖向压力-位移曲线；步骤1.2：判断步骤1.1.1得到的竖向压力-位移曲线是否和参考实验(室内实验)吻合；步骤1.3：如吻合，即假定法向刚度就是颗粒材料的真实法向刚度，确定法向刚度Kn，如不吻合，改变法向刚度的值并重复步骤1.1.1与步骤1.2，直至数值侧限压缩实验并得到竖向压力-位移曲线与参考实验(室内实验)吻合；步骤2，标定颗粒摩擦系数：步骤2.1：采用步骤1.3得出的法向刚度Kn，先假定一个摩擦系数；步骤2.1.1：再做数值休止角试验并得到数值休止角；步骤2.2：判断数值休止角是否和实验测定的休止角一致；步骤2.3：如一致，即假定摩擦系数就是材颗粒真实的摩擦系数，如果不一致，改变颗粒摩擦系数的值并重复步骤2.1.1与步骤2.2，到数值实验得到的休止角和实验休止角一致时，即可确定颗粒摩擦系数；步骤3，标定黏性阻尼率：采用数值自由落体，由恢复系数和黏性阻尼率的关系确定颗粒之间黏性阻尼率。步骤3中所述的“采用数值自由落体，由恢复系数和黏性阻尼率的关系确定颗粒之间黏性阻尼率”的具体步骤如下：假设自由落体运动方程为：式中，k为球和地面的综合接触刚度；y为纵坐标，即物体距离地面高度；R为颗粒半径；m为颗粒质量；g为重力加速度；c为阻尼；初始条件为：根据式(I)与(II)解析解为：1)位移：2)速度：3)加速度：对于单颗粒和固定刚体的碰撞，恢复系数的定义是颗粒碰撞后和碰撞前的速度比值，即式中υafter是颗粒碰撞后的速度，υbefore是颗粒碰撞后的速度；其实质是描述碰撞过程中的能量的耗散多少，恢复系数也可以用能量来表示，即式中Eafter是颗粒碰撞后的动能，Ebefore是颗粒碰撞后的动能；根据式(III)、(IV)、(V)、(VI)和(VII)并经过分析得，黏性阻尼率β的值按下式：β＝a·Crb+a＝0.7267Cr-0.4331-0.7267。以上所述仅为本专利技术的较佳实施例，并不用以限制本专利技术，凡在本专利技术的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本专利技术的保护范围之内。本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种离散元模拟中的细观参数标定方法，其特征在于：法向刚度、颗粒摩擦系数和黏性阻尼率三种细观参数，具体步骤如下：步骤1，标定法向刚度Kn：步骤1.1：先假定一个法向刚度；步骤1.1.1：再做数值侧限压缩实验并得到竖向压力‑位移曲线；步骤1.2：判断步骤1.1.1得到的竖向压力‑位移曲线是否和参考实验(室内实验)吻合；步骤1.3：如吻合，即假定法向刚度就是颗粒材料的真实法向刚度，确定法向刚度Kn，如不吻合，改变法向刚度的值并重复步骤1.1.1与步骤1.2；步骤2，标定颗粒摩擦系数：步骤2.1：采用步骤1.3得出的法向刚度Kn，先假定一个摩擦系数；步骤2.1.1：再做数值休止角试验并得到数值休止角；步骤2.2：判断数值休止角是否和实验测定的休止角一致；步骤2.3：如一致，即假定摩擦系数就是材颗粒真实的摩擦系数，如果不一致，改变颗粒摩擦系数的值并重复步骤2.1.1与步骤2.2；步骤3，标定黏性阻尼率：采用数值自由落体，由恢复系数和黏性阻尼率的关系确定颗粒之间黏性阻尼率。

【技术特征摘要】
1.一种离散元模拟中的细观参数标定方法，其特征在于：法向刚度、颗粒摩擦系数和黏性阻尼率三种细观参数，具体步骤如下：步骤1，标定法向刚度Kn：步骤1.1：先假定一个法向刚度；步骤1.1.1：再做数值侧限压缩实验并得到竖向压力-位移曲线；步骤1.2：判断步骤1.1.1得到的竖向压力-位移曲线是否和参考实验(室内实验)吻合；步骤1.3：如吻合，即假定法向刚度就是颗粒材料的真实法向刚度，确定法向刚度Kn，如不吻合，改变法向刚度的值并重复步骤1.1.1与步骤1.2；步骤2，标定颗粒摩擦系数：步骤2.1：采用步骤1.3得出的法向刚度Kn，先假定一个摩擦系数；步骤2.1.1：再做数值休止角试验并得到数值休止角；步骤2.2：判断数值休止角是否和实验测定的休止角一致；步骤2.3：如一致，即假定摩擦系数就是材颗粒真实的摩擦系数，如果不一致，改变颗粒摩擦系数的值并重复步骤2.1.1与步骤2.2；步骤3，标定黏性阻尼率：采用数值自由落体，由恢复系数和黏性阻尼率的关系确定...

【专利技术属性】
技术研发人员：郭鸿，马帅帅，王普，曹龙，
申请(专利权)人：陕西理工大学，
类型：发明
国别省市：陕西,61