离散元法及其应用简介.pdf

1、离散元离散元法及其应用法及其应用简介简介姜胜强湘潭大学2011/07/27主要内容主要内容离散元法及离散元法及PFCPFC简介简介PFCPFC在陶瓷、复合材料及混凝土等领域的应用在陶瓷、复合材料及混凝土等领域的应用离散元法简介离散元法简介适用于模拟离散颗粒组合体在准静态或动态条件下的变形及破坏过程离散元法Discrete Element Method岩石、土力学、脆性材料加工、粉体压实、散体颗粒输送等基本思想：把研究对象分离为刚性元素的集合，使每个元素满足牛顿第二定律，用中心差分的方法求解各元素的运动方程，得到研究对象的整体运动形态。20世纪70年代由Cundall首先提出，起源于分子动力学，

2、最初用于岩石力学的研究。Cundall,P.A.,and O.D.L.Strack.“A Discrete Numerical Model for Granular Assemblies,”Gotechnique,29,47-65(1979).优点应用领域离散元法简介离散元法简介基于离散元法的商业软件：ITASCA公司的UDEC、PFC及Thornton版 GRANULE离散元法按其单元类型可分为颗粒离散元和块体离散元。颗粒离散元中，颗粒为刚性的圆盘（2D）与球体（3D），颗粒之间允许位移重叠，以及颗粒的分离。PFC中的计算过程循环图离散元法简介离散元法简介离散元法简介离散元法简介离散元法简介

3、离散元法简介离散元法简介离散元法简介Particle Flow Code(PFC)Simulates the dynamic response of particle-based systems via the distinct-element method.Fundamental particle is circular or spherical,but complex“grains”produced by bonding particles.Solid materials(such as rock):bonded particle assembly(grains and cement)Gr

4、anular materials(such as powders):particle assembly(grains,no cement)Damage occurs by bond breakages.particlebondPFCPFC、BPMBPMBPM(Bonded Particle Model)：通过键连接的方式将颗粒与其相邻的颗粒粘结在一起形成任意形状的组合体来模拟块体材料；颗粒之间接触点处的键可以承受外载荷，当所受载荷超过连接键的强度时，键发生断裂；能自然的处理裂纹的产生和扩展。PFC(Particle Flow Code):直接模拟圆形颗粒的运动及相互作用，有二维和三维的离散元程

5、序PFC2D/3D，可以用来散体颗粒及块体的力学行为。BPM模型中的裂纹离散元法的应用（散体）离散元法的应用（散体）铲土物料流动搅拌鼓式混合机螺旋传送离散元法的应用（块体）离散元法的应用（块体）岩土切削颗粒形状对混凝土破碎形态的影响Grain crushing离散元法的应用（耦合）离散元法的应用（耦合）Particle Transport in Electrostatic Traveling Wave (Hiroyuki Kawamoto)Spouted bed Fluided bed (Kawaguchi et al.)(Yutaka Tsuji)Chain Formation in Mag

6、netic Field陶瓷材料二维陶瓷材料二维BPMBPM模型的建立模型的建立生成颗粒 颗粒位置重排删除“浮点”颗粒BPM模型Cluster模型键的强度键的刚度键的大小陶瓷材料陶瓷材料DEMDEM模型的校准模型的校准如何校准？无直接理论微观参数宏观参数摩擦系数颗粒刚度颗粒大小断裂韧性弯曲强度抗压强度泊松比弹性模量试验校准单边切口梁试验三点弯曲试验巴西试验单轴压缩试验陶瓷材料陶瓷材料DEMDEM模型的校准模型的校准单轴压缩试验三点弯曲试验单边切口梁试验巴西试验模拟加工裂纹模拟加工裂纹研究背景陶瓷良好的热稳定性脆性良好的抗腐蚀性硬度高抗压强度高密度比金属低问题的提出：陶瓷的硬脆性给加工带来极大的困

7、难，其材料去除机理仍然不是很清楚本文的方法：通过离散元的方法来模拟材料的去除过程，揭示其加工机理已有研究方法：压痕断裂力学、有限元、分子动力学以及连续损失模型等模拟加工裂纹模拟加工裂纹DEM模拟与实验对比DEM模拟结果实验结果DEM模拟结果实验结果模拟加工裂纹模拟加工裂纹氧化铝陶瓷切削过程模拟模拟加工裂纹模拟加工裂纹切削的动态过程切削力VS裂纹数目模拟加工裂纹模拟加工裂纹切削深度VS裂纹长度Tan Yuanqiang,Yang Dongmin,Y.Sheng.Study of polycrystalline Al2O3machining cracks using discrete elemen

8、t method J.International Journal of Machine Tools&Manufacture,2008,48(9):975-982.模拟断裂与损伤模拟断裂与损伤不同切削速度下的切削深度VS裂纹数目不同切削速度下的切削深度VS最大裂纹数目研究意义：利用离散元的方法来模拟碳化硅陶瓷的加工过程，以定量的来描述裂纹的产生与扩展，为实际加工提供参考依据。模拟断裂与损伤模拟断裂与损伤不同刀具前角下的材料深度VS累积裂纹数目不同切削速度下的材料深度VS累积裂纹数目Yuanqiang Tan,Dongmin Yang,Y.Sheng.Numerical simulation of

9、 polycrystalline SiC brittle cracks and damage in machining based on the discrete element method,Journal of the European Ceramic Society.2009,29(6),1029-1037.模拟尺寸效应模拟尺寸效应研究背景：由于陶瓷材料具有一些列的有点而广泛应用于航天航空、电子、计算机以及一些微小精密仪器，如微陀螺。但由于其结够尺寸较小，而尺寸效应是脆性材料或准脆性材料的一个基本特性。目前已有研究成果：1.Brzant指出对于材料的强度而言，存在尺寸效应，并提出一些列重

10、要理论；2.Bao通过实验的方法证明了对于氧化铝陶瓷的弯曲强度而言存在尺寸效应；2.Zheng应用Brzant的理论研究了混凝土强度的尺寸效应。模拟尺寸效应模拟尺寸效应各力学性能随模型长度的变化关系模拟尺寸效应模拟尺寸效应尺寸效应模拟平均值模拟尺寸效应模拟尺寸效应应力场强度因子的离散元模拟Yuanqiang Tan,Shengqiang Jiang,Cai Li,et al.Study on Mechanical Properties and Size effect of Si3N4using Discrete Element Method.Advanced Materials Researc

11、h,2009,76-78:719-724.姜胜强,谭援强,李才等.单晶硅力学性能及尺寸效应的离散元模拟,中国机械工程，2010，21(5):589-594.模拟残余应力模拟残余应力 陶瓷材料进行表面机械加工时，刀具与陶瓷表面的接触作用造成的加工损伤主要体现在表面/亚表面裂纹及表面残余应力。如何正确的预测陶瓷零件磨削表面残余应力，优化切削过程，提高加工表面质量，使陶瓷零件在高新技术领域得到更广泛的应用有着重要意义。刀具前角、切削速度、切削深度对残余应力分布的影响姜胜强,谭援强,杨冬民等.碳化硅单点金刚石超精密切削加工残余应力的离散元模拟，硅酸盐学报，2010,38（5）：918-923，930.

12、模拟残余应力模拟残余应力不同切削深度下的残余应力云图v10m/s、ap5m v10m/s、ap10m v10m/s、ap15m v10m/s、ap15m v5m/s、ap15m 不同切削速度下的残余应力云图v15m/s、ap15m 在混凝土工程施工过程中，混凝土的运输和浇筑是一项繁重、关键性的工作。它要求迅速、及时、保证质量和降低劳动消耗。为提高混凝土泵送施工质量，需在以下方面予以研究：泵送混凝土原材料和配合比：水、水泥、粗细集料等的合理匹配；泵送混凝土的拌制和运送：如何保证拌制过程和运送过程物料的均匀性；混凝土泵送设备及管道的选择与布置：实现最大输送距离和最大输出量、减少管壁磨损等；混凝土泵

13、送Yuanqiang Tan,Hao Zhang,Dongmin Yang et al.Numerical simulation of concrete pumping process and investigation of wear mechanism of the piping wall.Tribology International,2011(In Press).混凝土泵送混凝土泵送GID建模区域离散与网格划分计算及结果可视化建模过程泵送过程的三维压力分布典型的泵车弯管破损形式陶瓷压实成型陶瓷压实成型重力情况下微重力情况下成型后离散元模型中压制方向应力分布0.000.010.020.0

14、30.040.050.060.070.08-180-185-190-195-200-205-210 Gravity MicroravitySx(MPa)Y Position(mm)0.010.020.030.040.050.060.070.080.0905101520Distribution(%)Y Position(mm)Gravity Microgravity成型后模型内大粒径颗粒分布情况邹霞,李国荣,谭援强,等.重力对功能陶瓷材料压制过程影响的离散元模拟,无机材料学报,2010,25(10):1071-1075.加压方式对陶瓷压实成型的影响加压方式对陶瓷压实成型的影响两种加压方式下压制过

15、程中模型示意图单向加压双向加压0.0000.0050.0100.0150.0200.02524681012141618 Single axial compression Tow-axial compressionStress(MPa)Y Position(mm)两种加压方式下成型后模型压制方向应力分布单向加压时ZnO素坯样品层裂图加压方式对功能陶瓷成型过程的影响加压方式对功能陶瓷成型过程的影响两种加压方式下样品烧结后断面SEM图单向加压双向加压陶瓷材料干压成型工艺参数优化陶瓷材料干压成型工艺参数优化干压成型的压实过程模拟501001502002500.020.040.060.080.100.1

16、20.140.16PorosityPressure/MPa Lower Middle Upper坯体孔隙率随压力的变化曲线0123450.040.060.080.100.120.14PorosityCompression speed(mm/s)Pressure=200MPa Pressure=100MPa坯体孔隙率随加压速度的变化曲线0.10.20.30.40.50.60.70.80.040.060.080.100.120.140.16PorosityFriction coefficient Fc:Ball to Wall with pressure 200MPa Fc:Ball to Wall with pressure 100MPa Fc:Ball to Ball with pressure 200MPa Fc:Ball to Ball with pressure 100MPa摩擦系数对坯体孔隙率的影响复合材料断裂失效模拟复合材料断裂失效模拟Laminated composites复合材料断裂失效模拟复合材料断裂失效模拟DEM simulation of microbond tes