一种基于常规态型近场动力学的颗粒破碎模拟方法及系统技术方案

本发明专利技术公开了一种基于常规态型近场动力学的颗粒破碎模拟方法及系统，包括以下步骤：进行室内单颗粒压碎试验，测定单颗粒破碎强度试验值；建立单颗粒物质点模型；率定排斥力常数等模型参数；进行单颗粒破碎数值试验近场动力学模拟；获取单颗粒破碎强度模拟值与碎片分布。本发明专利技术方法解决了单颗粒破碎室内试验离散性大、成本高、周期长等问题。与传统的离散元方法相比，该方法在计算上可以更方便地考虑不规则颗粒的形状，且更易于校准细观力学参数，并用于获取准确的脆性颗粒破碎强度值，为进一步认识单颗粒破碎的细观力学机制和可破碎颗粒材料的宏观力学行为提供了有效技术手段。材料的宏观力学行为提供了有效技术手段。材料的宏观力学行为提供了有效技术手段。

【技术实现步骤摘要】
一种基于常规态型近场动力学的颗粒破碎模拟方法及系统


[0001]本专利技术属于岩土工程
，特别是涉及一种基于常规态型近场动力学的颗粒破碎模拟方法及系统。

技术介绍

[0002]颗粒材料中的颗粒破碎行为会改变颗粒级配和颗粒间的接触关系，从而影响颗粒材料的宏细观力学行为。由于室内试验往往存在离散性大、成本高、周期长等问题，通过数值模拟研究单个颗粒在单轴压缩荷载作用下的破碎条件和破碎模式对准确理解可破碎颗粒材料的宏观力学行为（如变形、屈服、流动和堆积特性）具有重要意义。目前，研究者们多利用离散元方法来模拟颗粒材料中多颗粒破碎行为，包括颗粒聚团方法和碎片替换方法，前一种方法计算规模特别大，而后一种方法无法真实反映单个颗粒的破碎行为，且离散元方法涉及的内部参数较难确定。相比之下，近场动力学方法采用单一的准则来捕获裂纹的萌生和扩展，并且可以自然地处理具有任意形状的颗粒。因此，有必要借助这一新兴的数值模拟方法开展单颗粒破碎机制研究。

技术实现思路

[0003]本专利技术的目的就是为了克服上述现有技术存在的缺陷而提供一种基于常规态型近场动本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种基于常规态型近场动力学的颗粒破碎模拟方法，其特征在于：包括步骤：S1，进行室内单颗粒压碎试验，测定单颗粒破碎强度试验值；S2，建立单颗粒物质点模型：根据室内试验所用单颗粒构建三维表面形貌模型，并根据所述三维表面形貌模型构建单颗粒物质点模型，确定所述单颗粒物质点模型的名义粒径；S3，建立近场动力学模型：在所述单颗粒物质点模型的基础上，布置加载板物质点，定义边界条件，构建基于键的链表并计算键的有关参数；S4，进行单颗粒破碎数值试验：采用显式时间积分方案模拟所述近场动力学模型中所述单颗粒物质点模型在单轴压缩荷载作用下的破碎过程，监测所述加载板物质点中接触力的最大值随所述加载板物质点位移的变化情况；S5，确定所述近场动力学模型的参数：以步骤S1所述的单颗粒破碎室内试验结果为基础对排斥力常数进行率定；S6，获取单颗粒破碎强度模拟值：确定上、下两块加载板与颗粒之间的接触力，并将所述接触力的平均值除以所述名义粒径的平方值作为颗粒破碎强度模拟值；S7，获取颗粒破碎后的碎片分布：采用碎片提取算法识别颗粒破碎后所产生的碎片，并对碎片的数量、尺寸和形状进行量化分析。2.根据权利要求1所述的一种基于常规态型近场动力学的颗粒破碎模拟方法，其特征在于：步骤S2中，单颗粒三维表面形貌通过三维扫描方式获取。3.根据权利要求1所述的一种基于常规态型近场动力学的颗粒破碎模拟方法，其特征在于：步骤S2中，所述单颗粒物质点模型为由所述单颗粒三维表面形貌模型通过体素化离散而成的物质点集合，物质点的尺寸小于单颗粒直径值的十分之一。4.根据权利要求1所述的一种基于常规态型近场动力学的颗粒破碎模拟方法，其特征在于：步骤S3中，建立所述近场动力学模型包括步骤：S31，在所述单颗粒物质点模型的顶部和底部对称布置一定数量的加载板物质点，加载板的面积应大于所述单颗粒物质点模型在水平面上的投影面积，加载板的厚度应大于近场范围尺寸，以确保所施加的荷载和约束条件能在所述单颗粒物质点模型中得到准确地反映；S32，定义一个大小为的二维逻辑数组作为位移约束标记，其长度设定为等于所述近场动力学模型中物质点的总数，其第一列、第二列和第三列数值分别标识物质点在X方向、Y方向和Z方向上的位移约束情况，其中逻辑值“0”代表所述物质点在所述方向上的位移不受约束，逻辑值“1”代表所述物质点在所述方向上的位移受到限制；将所述加载板物质点的所述位移约束标记的第一列和第二列数值设定为“0”，以确保模拟过程中加载板不发生水平面内的相对滑移；S33，采用树形搜索算法确定所述近场动力学模型中所有物质点的近邻物质点集合，并创建列表；
S34，计算键的有关参数，所述键的有关参数包括未变形前键的长度、体积修正系数、键的类型以及刚度修正系数。5.根据权利要求1所述的一种基于常规态型近场动力学的颗粒破碎模拟方法，其特征在于：步骤S4中，采用所述显式时间积分方案模拟所述近场动力学模型中所述单颗粒物质点模型在单轴压缩荷载作用下的破碎过程包括步骤：S41，初始化所述近场动力学模型中所有物质点的信息并开始时程积分；所述信息包括：键的断裂状态、变形后键的长度、键的伸长率、键的软化系数、软化标记、节点力、物质点的速度、物质点的的位移；S42，施加边界条件：在恒位移加载条件下，通过控制所述加载板物质点在Z方向上的运动速度以及在X方向和Y方向上的位移约束来模拟所述单颗粒破碎室内试验中加载板的压缩作用；S43，计算变形后键的长度和键的伸长率：根据现时构型中键两端的物质点和的空间坐标计算所述变形后键的长度，并按照下式计算所述键的伸长率：式中：为键变形前的长度；为键变形后的长度；S44，更新软化标记并计算键的软化系数；所述软化标记是大小为的一维逻辑数组，其长度设定为等于所述近场动力学模型中键的总数，其数值标识键的软化状态，其中逻辑值“0”代表所述键的伸长率大于弹性伸长率，键的变形进入软化阶段，逻辑值“1”代表所述键的伸长率小于弹性极限，键的变形仍处于弹性阶段；为模拟准脆性材料的渐进损伤，按照下式计算所述键的软化系数：：
式中：为键的伸长率；为键的临界伸长率；为键的弹性伸长率；为材料的单轴抗拉强度；为材料的弹性模量；S45，计算键力、接触力以及节点力：采用典型的线性近场动力学固体（linear peridynamic solid）材料本构模拟物质点之间的非局部长程作用力，按照下式计算所述键力：：：：：：式中：为键的某一端物质点处的加权体积；为键的某一端物质点的体积膨胀率；为键的某一端物质点的近场范围；为键的某一端物质点的体积；为键的伸长量，分为各向同性部分和偏态部分；和分别为未变形前键的长度和变形后键的长度；和分别为刚度修正系数和体积修正系数；和分别代表体积模量和剪切模量；采用短程排斥力模型和库伦定律描述所述单颗粒物质点与所述加载板物质点之间的相互作用；当分属不同物体的两个物质点之间的距离小于临界距离时，认为这两个物质点相互接触，沿着两个物质点的连线方向作用有大小相等，方向相反的法向接触力；当两个相接触的物质点在垂直于法线方向上的相对运动有...

【专利技术属性】
技术研发人员：肖源杰，华文俊，李志勇，陈宇亮，谢峰，王小明，李婷玉，
申请(专利权)人：湖南省交通科学研究院有限公司，
类型：发明
国别省市：