[发明专利]一种离散元组合颗粒及其离散元堆积试验模拟方法

摘要

本发明涉及一种离散元组合颗粒及其离散元堆积试验模拟方法，包括各种球形度的Clump颗粒，所述的Clump颗粒为由单元球A、单元球B、单元球C和单元球D四个单元球构成，所述的单元球A、单元球B、单元球C的半径相等，所述的单元球A、单元球B、单元球C以圆周分布方式排列于单元球D的四周，且单元球A、单元球B、单元球C均与单元球D相切或相交，所述Clump颗粒的球形度n的取值为0.33≤n≤1。本发明采用离散元方法开发Clump颗粒并进行了堆积试验模拟，可根据颗粒球形度统计结果直接采用实际颗粒的摩擦系数在离散元中模拟砂土颗粒的力学特征，避免了传统圆球颗粒使用严重偏大摩擦系数的缺陷，更逼近实际砂土的力学特性。

主权项

1.一种离散元组合颗粒的堆积试验模拟方法，其特征在于：包括以下步骤：（1）根据光学显微镜拍摄的实际试验砂土颗粒照片进行黑白二值化处理并提取出该实际试验砂土颗粒单元的几何参数，该几何参数包括球形度；（2）根据步骤（1）中得到的实际试验砂土颗粒的几何参数为基础，建立一种离散元组合颗粒数值模型，该离散元组合颗粒包括各种球形度的Clump颗粒，所述的Clump颗粒为由单元球A、单元球B、单元球C和单元球D四个单元球构成，所述的单元球A、单元球B、单元球C的半径相等，所述的单元球A、单元球B、单元球C以圆周分布方式排列于单元球D的四周，且单元球A、单元球B、单元球C均与单元球D相切或相交，所述Clump颗粒的球形度n的取值为0.33≤n≤1；（3）用离散元PFC3D方法建立上端开口下端闭合的漏斗模型，在漏斗下方处生成底部墙面模拟地面，并设置相应的细观参数；（4）根据步骤（1）的参数首先生成对应球形度的离散元组合颗粒模板，然后根据体积等效与质量等效原则在漏斗上方生成与实际试验砂土颗粒体积一致的离散元组合颗粒，设置离散元组合颗粒细观参数并施加重力加速度为g＝‑9.81m/ s2，然后开始循环计算，此时离散元组合颗粒在重力作用下逐渐沉积在漏斗内部，设置平衡条件并计算至初始平衡状态，在漏斗内部布置测量球测出离散元组合颗粒的平均接触数及孔隙率；（5）删除步骤（4）中漏斗底部的闭合墙体使漏斗中的离散元组合颗粒逐渐下落直至漏斗下方的底部墙面上并形成稳定的颗粒堆积体；（6）通过在步骤（5）中的颗粒堆积体中布置测量球测得测量球范围内离散元组合颗粒的平均接触数及孔隙率，编写fish函数输出测量颗粒堆积体表面颗粒坐标以计算自然休止角；（7）根据步骤（6）中布置在颗粒堆积体中的测量球，实时获取离散元组合颗粒堆积体的孔隙率，通过改变颗粒的细观参数值，求取颗粒堆积体的最大及最小孔隙率，亦分别研究球形度n、颗粒摩擦系数、孔隙率、接触数、自然休止角各参数的相互关系。