[论文解读] Simulation nnnumérique discrète et comportement mécanique des matériaux granulaires

Jean-Noël Roux, François Chevoir|ArXiv.org|Jan 22, 2009

Granular flow and fluidized beds参考文献 39被引用 20

一句话总结

本文提出将离散数值模拟作为一种计算工具，用于研究颗粒材料宏观力学行为的微观机理。通过采用接触力学模拟颗粒尺度的相互作用，并对准静态变形和密集流动进行模拟，研究揭示了微观结构、摩擦力和体积膨胀如何控制宏观响应，如应变局部化和流动阻力。

ABSTRACT

As a complementary tool to laboratory experiments, discrete numerical simulation, applied to granular materials, provides valuable information on the grain and contact scale microstructure, thereby enabling one to better understand the microscopic origin of macroscopic mechanical behaviours. We first introduce different simulation methods, which we regard as techniques for numerical experimentation, in connection with micromechanical models for intergranular contacts. We lay special emphasis on the important issue of sample representativity and stress the usefulness of dimensional analysis in the definition of relevant control parameters. We then apply this approach to two important rheological regimes of granular systems: solid-like, slowly strained granular materials, which might be ruled by elastoplastic constitutive relations; and liquid-like, dense granular flows, either confined or with a free surface, described by suitable friction and dilatancy laws

研究动机与目标

• 理解颗粒材料（如土壤和粉末）宏观力学行为的微观机理。
• 评估颗粒尺度相互作用（弹性、摩擦力和界面力）在决定整体材料响应中的作用。
• 评估模拟样品的代表性以及几何和接触参数配置的影响。
• 通过数值实验研究颗粒集合体在准静态变形和密集流动行为中的表现。
• 通过量纲分析识别控制机械响应的关键无量纲参数。

提出的方法

• 采用球形或圆形颗粒在二维或三维空间中的离散元法（DEM）模拟，以模拟单个颗粒的动力学行为。
• 基于线弹性理论和库仑摩擦定律实现接触力模型，以模拟颗粒间相互作用力。
• 采用准静态时间积分方法，模拟无动态惯性的缓慢变形过程。
• 施加边界条件以模拟三轴压缩、剪切以及倾斜面上的流动行为。
• 应用量纲分析，识别摩擦系数和配位数等主导控制参数。
• 分析微观结构变量，包括颗粒配位数、力网络各向异性和局部体积分数。

实验结果

研究问题

• RQ1 颗粒尺度的相互作用如何导致颗粒固体中的宏观塑性和应变局部化？
• RQ2 颗粒几何形状和配位数在准静态变形过程中对机械响应起什么作用？
• RQ3 摩擦力和体积膨胀定律如何控制受限条件或倾斜面上密集颗粒流的流变行为？
• RQ4 离散模拟在多大程度上能够再现并解释颗粒流动和破坏的实验观测？
• RQ5 哪些无量纲参数对颗粒集合体的宏观行为影响最为显著？

主要发现

• 离散模拟成功再现了颗粒固体中的宏观行为，如应变软化和硬化，其微观演化与力网络重组织密切相关。
• 配位数和颗粒形状显著影响塑性变形的起始以及力链的发展。
• 摩擦力和体积膨胀定律在决定倾斜面上密集颗粒流的流动阻力和速度分布中起关键作用。
• 模拟结果表明，从固态行为到流动行为的转变由摩擦阻力与体积膨胀变化之间的平衡所控制。
• 量纲分析识别出摩擦系数和配位数是宏观流变行为的关键控制参数。
• 数值实验证实，样品制备方式和边界条件对模拟力学响应的代表性具有决定性影响。