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基于离散元的土石混合料动力特性分析

蒋爱辞  
【摘要】:土石混合料作为一种工程材料已越来越广泛应用于土木、水利和交通等基础工程领域。土石混合料是一种离散介质结构,由粗、细颗粒组成,有一定级配和一定粘聚性的混合料,因此其物理力学性质较难把握。目前应用数值方法对土石混合料动力特性的研究还相对较少,在外力作用下,土石颗粒可能会产生滑动、滚动、挠曲和压碎等现象,已经很难用要求位移连续及应力连续的有限单元法来分析。要研究振动机械与土石料颗粒之间的相互作用、颗粒受迫振动、颗粒激励响应以及颗粒堆积行为等问题,离散单元法给研究此类问题提供了一种有效的途径,因此本文采用离散单元法来研究土石混合料的动力特性。论文在三维离散单元法研究的基础上,以河南省境内的燕山水库为工程背景,主要研究内容及相关结论如下: (1)介绍三维离散单元法的基本原理,详细阐述了离散单元法的基本思想、物理模型、接触本构模型以及刚度、阻尼系数、时间步等计算参数的确定方法,并对于离散单元法计算参数的选择及其对计算的影响也作了深入的研究。 (2)分析颗粒离散单元方法建模的一般过程,对颗粒的生成、边界条件的设定、颗粒集合体平衡和稳定状态的形成及颗粒的最终生成进行深入的探讨。 (3)应用FISH语言采用蒙特卡洛随机生成的方法编制三维颗粒离散元仿真程序,对便携式落锤弯沉仪(Portable Falling Weight Deflector,简称PFWD)作用于土石混合料的过程进行动态数值模拟,将模拟结果与PFWD实测结果进行对比分析,结果发现两者非常接近,从而验证了程序的正确性。 (4)研究了微观参数如颗粒密度、刚度,接触粘结力以及颗粒之间的空隙率对弯沉曲线及应力曲线在峰值、时延、脉冲宽度方面的影响,并针对颗粒密度、刚度,接触粘结力以及颗粒之间的空隙率影响因素建立四种模型,给出微观参数对宏观动力响应的分析,得出其相应的结论,以便为利用PFWD进行土石混合料施工质量的控制提供理论依据。 本文揭示了土石混合料的微观参数对宏观动力响应的影响机制,为进一步开展土石混合填料的含水量、压实特性等指标的快速检测奠定了理论基础,也为土石混合料的动力力学行为分析提供了一定的参考。


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