一种颗粒力链动力失效侦测方法技术

本发明专利技术涉及一种颗粒力链动力失效侦测方法，方法包括以下步骤：S1、基于时序信息构建颗粒基本信息矩阵，计算识别出的各条试样主力链的长度变化率；S2、获取散粒体试样的非平衡态频变函数，根据频变函数计算颗粒等效非平衡力；S3、计算三颗粒单元集的特征角，基于长度变化率界限值判断试样主力链是否局部失效；S4、针对存在局部失效的力链，基于屈曲角变化率极限值判断三颗粒单元是否发生局部破坏，基于判断的结果得到侦测矩阵，确定发生力链动力失效的具体位置。与现有技术相比，本发明专利技术降低了失效判识过程的计算量，缩减了计算时长，能够满足高频动力加载对侦测效率的要求。足高频动力加载对侦测效率的要求。足高频动力加载对侦测效率的要求。

【技术实现步骤摘要】
一种颗粒力链动力失效侦测方法


[0001]本专利技术涉及颗粒体系力链动力失效判别领域，尤其是涉及一种颗粒力链动力失效侦测方法。

技术介绍

[0002]颗粒材料承载后的宏观力学特性是细观颗粒行为的综合反映，从颗粒细观结构演化角度研究散粒体材料的力学特性是公认的解决颗粒物质力学问题的有效途径。力链结构作为散粒体材料承载与传力的主体，其结构调整及失效情况与宏观变形、强度等存在重要联系，由这一角度展开研究的关键在于力链失效行为的判断与准确捕捉。针对力链失效判断，现有研究主要考虑力链屈曲破坏，通过光弹试验、离散元仿真及细观结构理论分析等手段，从力链空间形态演化、颗粒荷载分担比、力链柱水平约束调整等角度，对静力荷载下力链的失效行为进行研究，并基于粒间作用力及细观结构演化提出了力链失效判据。
[0003]与静力下的力链失效过程相比，动荷载下颗粒位置调整频繁，现有根据颗粒准静态位置分布数据进行全局遍历的方法，难以满足动力作用下需要快速侦测的要求；同时，动力条件下颗粒处于受力非平衡态，且受动荷载幅频的影响最为显著，而当前分析中无法量化动荷载幅频对力链上单个颗粒所受不平衡力的贡献；此外，动力条件下的力链失效机理还取决于力链结构整体的受压屈曲，会导致力链局部失效。可见，动力条件下力链的失效机制及影响因素更为复杂，现有力链失效判据已无法完整考虑上述影响因素，亦无法对力链动力失效行为进行判定与捕捉。

技术实现思路

[0004]本专利技术的目的就是提供一种颗粒力链动力失效侦测方法以克服上述现有技术存在的缺陷，方法先基于长度变化率界限值判断试样主力链是否局部失效，再基于屈曲角变化率极限值判断三颗粒单元是否发生局部破坏，实现对力链动力失效行为的判定与捕捉。
[0005]本专利技术的目的可以通过以下技术方案来实现：
[0006]一种颗粒力链动力失效侦测方法，方法包括以下步骤：
[0007]S1、基于动力荷载下散粒体试样获取力链分布的时序信息，所述时序信息包括颗粒空间位置子集和细观接触力子集，基于时序信息构建颗粒基本信息矩阵，基于细观接触力子集判据识别试样主力链，根据颗粒基本信息矩阵计算识别出的各条试样主力链的长度变化率；
[0008]S2、获取散粒体试样的非平衡态频变函数，根据频变函数计算颗粒等效非平衡力，所述频变函数为与激振力幅值和扰动频率有关的函数；
[0009]S3、基于空间位置子集中的试样主力链的空间分布，采用颗粒拓扑迭代分割方法，将试样主力链划分为三颗粒单元集，计算三颗粒单元集的特征角，根据颗粒等效非平衡力和特征角确定各条试样主力链的长度变化率界限值，基于长度变化率界限值判断试样主力链是否局部失效；
[0010]S4、针对存在局部失效的力链，根据长度变化率和特征角计算屈曲角变化率极限值，基于屈曲角变化率极限值判断三颗粒单元是否发生局部破坏，基于判断的结果得到侦测矩阵，确定发生力链动力失效的具体位置，所述判断的结果为三颗粒单元状态系数。
[0011]进一步地，颗粒等效非平衡力的表达式为：
[0012][0013]其中，F
uj
为第j个颗粒的颗粒等效非平衡力，m
j
为颗粒质量，D
j
为能量分配因子，F
′
(γf)为频变函数，γ为激振力幅值，f为扰动频率，为振动荷载下颗粒所受合力平均值，j表示第j个三颗粒单元。
[0014]进一步地，特征角包括屈曲角和不平衡力方向角，计算三颗粒单元集的特征角，根据颗粒等效非平衡力和特征角确定各条试样主力链的长度变化率界限值具体为：
[0015]计算三颗粒单元集的特征角，所述特征角包括屈曲角和不平衡力方向角，基于特征角计算颗粒体系形态特征角分布矩阵，根据颗粒体系形态特征角分布矩阵的形态特征角分布、颗粒基本信息和动荷载幅频建立力链等效平衡方程，基于平衡方程确定各条试样主力链的长度变化率界限值；
[0016]基于长度变化率界限值判断试样主力链是否局部失效具体为：当试样主力链的长度变化率达到长度变化率界限值时，该试样主力链是局部失效。
[0017]进一步地，长度变化率界限值的表达式为：
[0018][0019]其中，F1为颗粒等效非平衡力，m
j
为颗粒质量，n表示力链内颗粒数量，θ
j
表示力链内第j个三颗粒单元不平衡力方向角，β
j
表示力链内第j个三颗粒单元内相邻两颗粒形心连线方向向量与垂向方向之间的夹角，k表示颗粒接触刚度，l表示力链首尾颗粒距离竖向分量，i表示第i条力链，t表示t时刻。
[0020]进一步地，所述屈曲角为基于颗粒基本信息矩阵中的颗粒形心坐标计算得到的三颗粒单元集中的颗粒形心连线的夹角，所述不平衡力方向角为对试样主力链上颗粒所受细观接触力进行矢量求和后得到的不平衡力与垂直方向的夹角。
[0021]进一步地，屈曲角变化率极限值的表达式为：
[0022][0023]其中，为力链的实际长度变化率；为力链长度变化率极限值；θ
j
为力链内第j个三颗粒单元的不平衡力的方向角；为三颗粒单元j切向位移变化率的均值；为力链内不平衡力方向角的均值。
[0024]进一步地，基于屈曲角变化率极限值判断三颗粒单元是否发生局部破坏，基于判断的结果得到侦测矩阵，确定发生力链动力失效的具体位置，具体为：
[0025]计算屈曲角变化率，当屈曲角变化率大于等于屈曲角变化率极限值时，三颗粒单元发生局部破坏，得到力链动力失效的具体位置，基于具体位置建立三颗粒单元状态系数，将三颗粒单元状态系数组成侦测矩阵，确定发生力链动力失效的具体位置。
[0026]进一步地，能量分配因子的表达式为：
[0027][0028]其中，D
j
为能量分配因子，η为颗粒阻尼，r
j
为粒径，为平均力链长度，n
c
为力链数。
[0029]进一步地，基于细观接触力子集判据识别试样主力链具体为：
[0030]基于细观接触力子集计算颗粒接触主应力，所述颗粒接触主应力为细观接触力子集判据，若试样中颗粒的颗粒接触主应力大于平均接触应力，则该颗粒为主颗粒，基于主颗粒得到试样主力链；
[0031]其中，颗粒接触主应力的表达式为：
[0032][0033]其中，为颗粒的第c个接触；为接触c中接触矢量的第p个分量，V
p
为颗粒体积，为颗粒接触主应力。
[0034]进一步地，细观接触力子集包括法向力与切向力。
[0035]与现有技术相比，本专利技术具有以下优点：
[0036](1)本专利技术提出动力扰动条件下由力链长度变化率判断失效状态的方法，仅需明确颗粒材料属性、位置信息与外界激振力信息即可实现颗粒力链的动力失效侦测，相对于现有的根据颗粒受力状态进行力链判断的方法，解决了难以应用于试验观测的问题，可以广泛应用于数值模拟和室内试验研究中。
[0037](2)本专利技术针对力链失效位置侦测提出本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种颗粒力链动力失效侦测方法，其特征在于，方法包括以下步骤：S1、基于动力荷载下散粒体试样获取力链分布的时序信息，所述时序信息包括颗粒空间位置子集和细观接触力子集，基于时序信息构建颗粒基本信息矩阵，基于细观接触力子集判据识别试样主力链，根据颗粒基本信息矩阵计算识别出的各条试样主力链的长度变化率；S2、获取散粒体试样的非平衡态频变函数，根据频变函数计算颗粒等效非平衡力，所述频变函数为与激振力幅值和扰动频率有关的函数；S3、基于空间位置子集中的试样主力链的空间分布，采用颗粒拓扑迭代分割方法，将试样主力链划分为三颗粒单元集，计算三颗粒单元集的特征角，根据颗粒等效非平衡力和特征角确定各条试样主力链的长度变化率界限值，基于长度变化率界限值判断试样主力链是否局部失效；S4、针对存在局部失效的力链，根据长度变化率和特征角计算屈曲角变化率极限值，基于屈曲角变化率极限值判断三颗粒单元是否发生局部破坏，基于判断的结果得到侦测矩阵，确定发生力链动力失效的具体位置，所述判断的结果为三颗粒单元状态系数。2.根据权利要求1所述的一种颗粒力链动力失效侦测方法，其特征在于，S2中，颗粒等效非平衡力的表达式为：其中，F
uj
为第j个颗粒的颗粒等效非平衡力，m
j
为颗粒质量，D
j
为能量分配因子，F
′
(γf)为频变函数，γ为激振力幅值，f为扰动频率，为振动荷载下颗粒所受合力平均值，j表示第j个三颗粒单元。3.根据权利要求1所述的一种颗粒力链动力失效侦测方法，其特征在于，特征角包括屈曲角和不平衡力方向角，计算三颗粒单元集的特征角，根据颗粒等效非平衡力和特征角确定各条试样主力链的长度变化率界限值具体为：计算三颗粒单元集的特征角，所述特征角包括屈曲角和不平衡力方向角，基于特征角计算颗粒体系形态特征角分布矩阵，根据颗粒体系形态特征角分布矩阵的形态特征角分布、颗粒基本信息和动荷载幅频建立力链等效平衡方程，基于平衡方程确定各条试样主力链的长度变化率界限值；基于长度变化率界限值判断试样主力链是否局部失效具体为：当试样主力链的长度变化率达到长度变化率界限值时，该试样主力链是局部失效。4.根据权利要求3所述的一种颗粒力链动力失效侦测方法，其特征在于，长度变化率界限值的表达式为：其中，F1为颗粒等效非平衡力，m
j
为颗粒质量，n表示力链内...

【专利技术属性】
技术研发人员：肖军华，薛立华，时瑾，李再帏，孙思齐，张骁，刘孟波，刘志勇，
申请(专利权)人：北京交通大学，
类型：发明
国别省市：