Блог

Jun 23, 2023

Обзор стратегий калибровки модели дискретных элементов в квази

Scientific Reports, том 13, номер статьи: 13264 (2023) Цитировать эту статью 253 Доступы 1 Подробности об альтметрических метриках В этом исследовании впервые были рассмотрены теории механического отклика конструкций под действием

Научные отчеты, том 13, Номер статьи: 13264 (2023) Цитировать эту статью

253 доступа

1 Альтметрика

Подробности о метриках

В этом исследовании впервые были рассмотрены теории механического отклика конструкций под нагрузкой, а метод дискретных элементов обеспечивает путь для изучения механического отклика, включая упругую деформацию и разрушение конструкции. Однако прямое получение микроскопических параметров из основных уравнений метода дискретных элементов посредством экспериментов сталкивается с проблемами. Одной из возможных стратегий получения этих микроскопических параметров является калибровка параметров, которые широко используются исследователями. Во-вторых, суммируются основные уравнения и критерий отказа метода дискретных элементов, а также точно определяются микроскопические параметры, которые будут калиброваться. Далее подробно излагаются принципы классических методов калибровки метода дискретных элементов, а также проверяются и обсуждаются их свойства. Наконец, в этом исследовании изучалась применимость калиброванных параметров и отмечается, что соотношение размеров, пористость, максимальный и минимальный радиус частиц должны быть идентичными как в модели геометрической калибровки, так и в модели для приложений.

Когда к структурной системе прилагается внешняя сила, возникают механические реакции. При исследовании этих механических реакций обычно используется классическая механика сплошной среды, при этом основные уравнения включают уравнения в частных производных. Однако, когда классическая механика сплошной среды сталкивается с изломами, она сталкивается с трудностями из-за отсутствия производных на разрывах1 (например, излом).

Исследователи предложили различные методы для решения проблем, связанных с разрушением, включая теорию фазового поля2, расширенный метод конечных элементов3,4, перидинамику1 и метод дискретных элементов5. Теория фазового поля для трещин использует функцию непрерывного повреждения для аппроксимации наличия свободных поверхностей разрывов6,7. Однако следует отметить, что технология разрушения фазового поля описывает исключительно развитие сильно локализованных повреждений, а не зарождение и распространение несплошностей. Таким образом, это, по сути, непрерывная полевая технология. Расширенный метод конечных элементов (XFEM) представляет собой численный метод, который добавляет функцию, способную отражать разрывы, к функции смещения традиционного метода конечных элементов. В методе используется метод набора уровней для динамического отслеживания изменений интерфейса, что позволяет разрешать различные типы несплошностей, такие как трещины, отверстия и включения8. Однако XFEM может столкнуться с проблемами при работе с ветвлением трещин. Перидинамика вместо того, чтобы полагаться на традиционные дифференциальные уравнения, использует интегральные уравнения, чтобы избежать сингулярности на вершинах трещин1. Перидинамика имеет огромные преимущества при решении несплошных задач, таких как разрушение9,10. Однако в перидинамике могут возникнуть проблемы снижения жесткости вокруг границ материала. DEM рассматривает материалы как дискретные среды, в которых каждый блок или частица движется согласно второму закону Ньютона5. Они могут имитировать перемещение, вращение, скольжение и даже разделение. DEM может реалистично и интуитивно моделировать разрушение и другие явления большой деформации. Разрушение объемных систем, состоящих из частиц, начинается с разделения частиц. Исчезновение силы между двумя частицами означает возникновение трещины. За десятилетия развития DEM широко применялся в различных областях, таких как геотехническая инженерия11,12,13,14,15,16, горнодобывающая промышленность17,18,19,20 и сельское хозяйство21,22,23,24,25. Соответственно, было разработано несколько пакетов программного обеспечения DEM26,27,28,29.

Прежде чем проводить моделирование с использованием DEM, важно определить параметры материала, включенные в модель. В классической механике сплошной среды параметры материала, такие как модуль Юнга и коэффициент Пуассона, можно определить посредством экспериментов. Однако параметры ЦМР необходимо указывать на микроскопическом уровне, например нормальную контактную жесткость и тангенциальную контактную жесткость, которые называются микроскопическими параметрами. Эти микроскопические параметры отличаются от макроскопических параметров. Его трудно измерить экспериментально30. В настоящее время методом определения микроскопических параметров в ЦМР является калибровка параметров. Примечательно, что в данной работе основное внимание уделяется упругой деформации твердой структуры, состоящей из миллионов частиц, под действием квазистатического нагружения. Изучение упругой деформации в первую очередь опирается на принципы теории упругости, тогда как динамические системы частиц опираются на другую механику (например, теоретическую механику)31,32,33,34,35,36,37,38. В результате ключевые параметры и методы калибровки существенно различаются между упругой структурой и динамическими системами частиц. Например, плотность частиц измеряется с помощью газового пикнометра, а коэффициент трения скольжения определяется посредством испытания на трение скольжения в динамических системах твердых частиц31,32. Линейно-упругая деформация использует определяющие уравнения линейной упругости. Фундаментальными макроскопическими параметрами линейной упругости являются модуль Юнга и коэффициент Пуассона. Эти макроскопические параметры оказывают большое влияние на деформацию конструкции39. В контексте линейной упругости эти макроскопические параметры соответствуют микроскопическим параметрам модели дискретных элементов, а именно эффективному модулю и коэффициенту жесткости.