[论文解读] Computer simulation of three dimensional shearing of granular materials: Formation of shear bands

S Fazekas, János Török+2 more|arXiv (Cornell University)|Jun 28, 2006

Granular flow and fluidized beds参考文献 11被引用 3

一句话总结

本研究采用三维离散元法（DEM）模拟，研究在轴对称三轴加载条件下密集颗粒材料中剪切带的形成。通过模拟具有可变形膜和可移动压板的应力控制压缩，作者再现了实验观测到的剪切带形态，并表明颗粒旋转可有效识别剪切带，揭示了在允许倾斜时的对称性破缺局部化现象。

ABSTRACT

We used computer simulations to study spontaneous strain localization in granular materials, as a result of symmetry breaking non-homogeneous deformations. Axisymmetric triaxial shear tests were simulated by means of standard three-dimensional Distinct Element Method (DEM) with spherical grains. Carefully prepared dense specimens were compressed between two platens and, in order to mimic the experimental conditions, stress controlled, (initially) axisymmetric boundary conditions were constructed. Strain localization gave rise to visible shear bands, previously found experimentally under similar conditions by several groups, and different morphologies could be reproduced. We examined the stress-strain relation during the process and found good agreement with experiments. Formation mechanism of shear bands is discussed.

研究动机与目标

• 使用离散元法（DEM）对密集颗粒材料进行三维轴对称三轴剪切试验的数值模拟。
• 研究在受控应力条件下颗粒材料中剪切带的形成机理。
• 在数值模拟中重现实验观测到的剪切带形态，而无需依赖宏观本构模型。
• 考察边界条件（特别是上压板倾斜）在触发对称性破缺应变局部化中的作用。
• 将模拟结果与实验的应力-应变行为及内部结构模式进行验证。

提出的方法

• 采用标准三维离散元法（DEM）并使用球形单元模拟三轴剪切试验，避免使用宏观本构模型。
• 对颗粒-颗粒、颗粒-压板及颗粒-膜之间的相互作用采用赫兹接触模型，并引入阻尼和摩擦弹簧-阻尼模型。
• 使用由重叠球体组成的弹性膜来施加围压，通过设置刚度和阻尼系数以保持其完整性。
• 通过以恒定速度（u₀ = 10⁻² m/s 或 2u₀）向下移动上压板实现应力控制压缩，不同模拟中启用或禁用倾斜。
• 通过弹簧力计算膜节点上的力，并通过三角形面元力施加围压 σc = 0.5 × 10³ N/m²。
• 通过颗粒旋转能识别剪切带，经与局部变形张量分析对比验证，表明旋转状态是局部化的可靠指标。

实验结果

研究问题

• RQ1 3D DEM模拟如何再现密集颗粒材料在三轴加载下实验观测到的剪切带形态？
• RQ2 上压板倾斜在触发对称性破缺应变局部化及剪切带形成中起什么作用？
• RQ3 颗粒旋转能是否可作为识别颗粒系统中剪切带的可靠指标？
• RQ4 模拟中的应力-应变响应与实验数据相比如何，特别是在峰值强度及峰后软化阶段？
• RQ5 当边界条件不强制保持轴对称时，内部不稳定性在多大程度上驱动局部化？

主要发现

• 模拟中的应力-应变响应表现出峰值应力比后出现软化，与密集颗粒材料的实验行为一致。
• 在轴向应变低于15%时，所有模拟运行（有无倾斜、不同应变率）的应力-应变响应几乎完全相同。
• 在15%轴向应变后，若禁用倾斜，应力比再次上升，表明系统趋于稳定并形成复杂、轴对称的圆锥形局部化模式。
• 当启用倾斜时，内部不稳定性导致沿单一剪切带发生对称性破缺的局部化，与实验观测一致。
• 颗粒旋转能有效识别剪切带，因为这些区域在局部化过程中因颗粒尺度旋转而表现出高旋转活动性。
• 模拟结果再现了实验观测到的剪切带形态，包括圆锥形和平面形模式，证实了边界条件在控制局部化几何形态中的作用。