一种基于离散元法的非粘结颗粒材料宏观结构阻尼计算模拟方法技术

本申请公开了一种基于离散元法的非粘结颗粒材料宏观结构阻尼计算模拟方法，包括以下步骤：建立虚拟数值试验模型；纳米压痕、纳米划痕试验测试获取本构参数；阻尼耗散能、摩擦能数值计算及监控；基于各计算步状态累加方式的非粘结颗粒材料宏观结构阻尼演化计算。本发明专利技术的优点在于，首先通过离散元软件下各计算步状态累加，突破离散元法下无法进行连续积分的缺陷，其次建立每个周期内结构内部颗粒在动载作用下耗散能与相应结构阻尼的对应关系，并基于此提出一种离散体系下非粘结颗粒族结构宏观阻尼准确计算方法，为实现非粘结颗粒材料长久性能预估提供重要保证。

A numerical simulation method for macro-structural damping of unbonded granular materials based on discrete element method

This application discloses a method for calculating the macro-structural damping of non-cohesive granular materials based on discrete element method, which includes the following steps: establishing a virtual numerical test model; obtaining constitutive parameters by nanoindentation and nanoscratch test; numerical calculation and monitoring of damping dissipation energy and friction energy; and macro-structural damping of non-cohesive granular materials based on the cumulative mode of calculation steps. Evolutionary Computing. The advantages of the present invention are as follows: firstly, by accumulating the states of each calculation step under the discrete element software, the defect that continuous integration cannot be carried out under the discrete element method is overcome; secondly, the corresponding relationship between the dissipative energy of particles in the structure under dynamic load and the corresponding structural damping is established; and based on this, an accurate calculation method of macro-damping of non-cohesive particle family structure in the discrete system is proposed. It provides an important guarantee for the long-term performance prediction of unbonded granular materials.

【技术实现步骤摘要】
一种基于离散元法的非粘结颗粒材料宏观结构阻尼计算模拟方法
本专利技术涉及一种基于离散元法的非粘结颗粒材料宏观结构阻尼计算模拟方法，属于道路工程

技术介绍
道路工程中，非粘结颗粒材料应用广泛，如级配碎石、砂土等。在非粘结颗粒材料用于不同道路结构层时，需要保证其结构的稳定性，非粘结颗粒材料一般以嵌挤作用为主，形成较强的骨架结构，当承受外部荷载作用时，其塑性、永久变形、破坏形式主要是因为颗粒嵌挤状态改变、颗粒持续滑移造成。而在动载作用下，由颗粒体系构成的结构其宏观模量、刚度并不能直接精确的表征出这种内部的颗粒接触状态，仅仅能在一定程度上表征整体体系的承载能力。相反结构的宏观阻尼反应的是整体结构在动载作用下能量耗散的表征系数，在非粘结颗粒材料组成的结构内，这部分能量耗散主要由颗粒滑移造成，故通过结构阻尼来反映非粘结材料颗粒内部接触状态从而准确判断结构内部变化的方法最为合适。然而作为一个人为表征的数学变量，且与耗散能挂钩，非粘结颗粒材料所组成结构的宏观阻尼无法直接有效的通过室内或者现场试验获得，环境、人为干扰因素过大，故本专利技术提出一种非粘结颗粒材料的结构阻尼离散元计算方法，通过不同计算步下状态量的累加计算，克服了离散元体系下无法连续积分的缺陷，所提出的方法能够较好的模拟并预测非粘结颗粒材料在动载作用下的接触响应，为长效性能服役性能预测、结构组成设计提供重要基础。
技术实现思路
解决的技术问题：本申请主要是提出一种基于离散元法的非粘结颗粒材料宏观结构阻尼计算模拟方法，解决现有技术中存在的离散元软件无法精确计算结构阻尼等技术问题，提供了一种基于离散元法的非粘结颗粒材料宏观结构阻尼计算模拟方法。技术方案：一种基于离散元法的非粘结颗粒材料宏观结构阻尼计算模拟方法，包括以下步骤：第一步：建立虚拟数值试验模型；第二步：纳米压痕、纳米划痕试验测试获取本构参数；第三步：工况加载，阻尼耗散能、摩擦能数值计算及监控；第四步：基于各计算步状态累加方式的非粘结颗粒材料宏观结构阻尼演化计算。作为本专利技术的一种优选技术方案：所述非粘结颗粒材料是指具有弹性特征、无粘结属性的颗粒系材料，非粘结颗粒材料粒径≤30mm。作为本专利技术的一种优选技术方案：所述第一步中，基于离散元软件PFC建立虚拟数值试件，在虚拟数值试件底侧、左右两侧设定三面固定的虚拟墙以模拟试件容器，在虚拟容器内按照实际材料级配组成生成小球颗粒并压实至实际空隙率以真实模拟实际颗粒系材料的结构状态，在虚拟容器上方建立三个可移动的墙模拟真实加载头，材料颗粒系的本构模型为表征弹性的Linear-contactmodel、表征摩擦的Slippingmodel以及颗粒间全局阻尼系数A。作为本专利技术的一种优选技术方案：所述第二步中，针对非粘结颗粒材料进行纳米压痕、划痕测试，测试前，根据所选定的非粘结颗粒材料粒径分布特征，选取不同粒径范围内的特征样品，如针对级配碎石类材料，选择粒径4.75mm以下、4.75-9.5mm、9.5-13.2mm、13.2-16mm、16-19mm、19-25.6mm以及25.6mm以上的特征样品，对不同粒径的颗粒材料进行纳米压痕曲线获得压深—力曲线，通过纳米划痕试验获得颗粒表面划痕曲线，以压深—力、划痕曲线为基础，分别标定不同粒径大小的颗粒材料Linear-contactmodel、Slippingmodel内微观参数以及全局阻尼系数T的值。作为本专利技术的一种优选技术方案：所述第三步中，针对所建立的虚拟试件，加载半正矢波，应力控制模式为频率10Hz、加载幅值60Kpa，并按照式[1]和式[2]分别计算每个周期0.1s内整个颗粒体系的颗粒阻尼耗散能、颗粒摩擦耗散能，式中，Ef、Ed分别为整个颗粒体系的摩擦耗散能、颗粒阻尼耗散能；Nc、Ni分别为颗粒体系接触数量、颗粒体系内颗粒数量；和分别为每个接触处平均剪切力与剪切位移增量；和分别为每个颗粒的平均阻尼力与阻尼力位移增量。作为本专利技术的一种优选技术方案：为实现离散元法内的连续积分，提出下述方法流程计算宏观阻尼演化：首先将周期性应力控制机制赋予虚拟加载头，实现周期性振动加载；其次计算每一个实时计算步下，加载头沿Y轴速度，当前计算步所代表的真实时间增量，最后每个加载周期内结构的宏观阻尼按照式[3]和式[4]计算，其中为第i周期内的颗粒摩擦耗散能和颗粒阻尼耗散能：式中，C为结构的宏观阻尼系数；分别为第i个加载周期内整个结构的摩擦能、阻尼耗散能；j为第i个加载周期内第j个计算步；N为第i个加载周期内总共所需的计算步数；y.ij为加载头第i个加载周期第j个计算步内，加载头沿着Y轴方向的速度；tdelij为加载头第i个加载周期第j个计算步所代表的真实时间增量。作为本专利技术的一种优选技术方案：所述第四步中，依公式[1]-[4]分别计算每个周期下颗粒结构的宏观阻尼系数，在数值软件内运行足够的周期，通过宏观阻尼系数判定结构的稳定性以及内部嵌挤状态，获得宏观阻尼演化曲线，针对不同非粘结颗粒材料，宏观阻尼演化曲线均分为三阶段，增长阶段、稳定阶段、失稳阶段，由本方法所计算得到的宏观阻尼演化曲线根据不同阶段所对应的工况，进一步确定颗粒结构稳定结构成型的最佳工艺。有益效果：本申请所述一种基于离散元法的非粘结颗粒材料宏观结构阻尼计算模拟方法采用以上技术方案与现有技术相比，具有以下技术效果：1、通过纳米压痕、划痕试验获取非粘结颗粒材料的弹性接触本构参数、滑动摩擦参数，材料本构参数测试精确有效。2、通过离散元内不同周期内各计算步所测试获得的状态量累计，突破离散元方法体系下的无法连续积分的缺陷。3、基于每个周期内所计算的颗粒阻尼耗散能、颗粒摩擦耗散能，借助每个计算步下状态累计量，精确获得每个周期内的结构阻尼系数平均值，为非粘结颗粒材料的性能预测、结构设计提供技术支撑与策略指导。附图说明：图1为本申请所述基于离散元法的非粘结颗粒材料宏观结构阻尼计算模拟方法的流程图。具体实施方式下面结合说明书附图对本专利技术的具体实施方式作进一步详细的说明：实施例1如图1所示，一种基于离散元法的非粘结颗粒材料宏观结构阻尼计算模拟方法，包括以下步骤：第一步：建立虚拟数值试验模型，如图1(A)所示，所述的非粘结颗粒材料是指任何具有弹性特征、无粘结属性的颗粒系材料、结构，颗粒粒径大小在30mm以内，由此材料体系构成的结构内部均以颗粒的嵌挤作用为主形成骨架结构，且失稳状态主要以颗粒间滑动摩擦为主，所述的非粘结颗粒材料是指但不限于碎石类、沙土类，基于离散元软件PFC建立虚拟数值试件，试件尺寸不限定，在底侧、左右两侧设定三面固定的虚拟墙以模拟试件容器，在虚拟容器内按照实际材料级配组成生成小球颗粒并压实至实际空隙率以真实模拟实际颗粒系材料的结构状态，在虚拟容器上方建立三个可移动的墙模拟真实加载头。材料颗粒系的本构模型选择为，表征弹性的Linear-contactmodel，表征摩擦的Slippingmodel以及颗粒间全局阻尼系数A；第二步：纳米压痕、纳米划痕试验测试获取本构参数，针对非粘结颗粒材料进行纳米压痕、划痕测试，测试前，根据所选定的非粘结颗粒材料粒径分布特征，选取不同粒径范围内的特征样品，如针对级配碎石类材料，选择4.75mm以下、4.75-9.5mm、9.5-13.2mm、13本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种基于离散元法的非粘结颗粒材料宏观结构阻尼计算模拟方法，其特征在于，包括以下步骤：第一步：建立虚拟数值试验模型；第二步：纳米压痕、纳米划痕试验测试获取本构参数；第三步：工况加载，阻尼耗散能、摩擦能数值计算及监控；第四步：基于各计算步状态累加方式的非粘结颗粒材料宏观结构阻尼演化计算。

【技术特征摘要】
1.一种基于离散元法的非粘结颗粒材料宏观结构阻尼计算模拟方法，其特征在于，包括以下步骤：第一步：建立虚拟数值试验模型；第二步：纳米压痕、纳米划痕试验测试获取本构参数；第三步：工况加载，阻尼耗散能、摩擦能数值计算及监控；第四步：基于各计算步状态累加方式的非粘结颗粒材料宏观结构阻尼演化计算。2.根据权利要求1所述的基于离散元法的非粘结颗粒材料宏观结构阻尼计算模拟方法，其特征在于：所述非粘结颗粒材料是指具有弹性特征、无粘结属性的颗粒系材料，非粘结颗粒材料粒径≤30mm。3.根据权利要求1所述的基于离散元法的非粘结颗粒材料宏观结构阻尼计算模拟方法，其特征在于：所述第一步中，基于离散元软件PFC建立虚拟数值试件，在虚拟数值试件底侧、左右两侧设定三面固定的虚拟墙以模拟试件容器，在虚拟容器内按照实际材料级配组成生成小球颗粒并压实至实际空隙率以真实模拟实际颗粒系材料的结构状态，在虚拟容器上方建立三个可移动的墙模拟真实加载头，材料颗粒系的本构模型为表征弹性的Linear-contactmodel、表征摩擦的Slippingmodel以及颗粒间全局阻尼系数A。4.根据权利要求1所述的基于离散元法的非粘结颗粒材料宏观结构阻尼计算模拟方法，其特征在于：所述第二步中，针对非粘结颗粒材料进行纳米压痕、划痕测试，测试前，根据所选定的非粘结颗粒材料粒径分布特征，选取不同粒径范围内的特征样品，如针对级配碎石类材料，选择粒径4.75mm以下、4.75-9.5mm、9.5-13.2mm、13.2-16mm、16-19mm、19-25.6mm以及25.6mm以上的特征样品，对不同粒径的颗粒材料进行纳米压痕曲线获得压深-力曲线，通过纳米划痕试验获得颗粒表面划痕曲线，以压深-力、划痕曲线为基础，分别标定不同粒径大小的颗粒材料Linear-contactmodel、Slippingmodel内微观参数以及全局阻尼系数T的值。5.根据权利要求1所...

【专利技术属性】
技术研发人员：马涛，丁珣昊，顾临皓，徐光霁，吴少鹏，肖月，
申请(专利权)人：东南大学，
类型：发明
国别省市：江苏,32