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GPU-Based Simulation of Dynamic Characteristics of Ballasted Railway Track with Coupled Discrete-Finite Element Method
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作者 Xu Li YingYan +1 位作者 Shuai Shao Shunying Ji 《Computer Modeling in Engineering & Sciences》 SCIE EI 2021年第2期645-671,共27页
Considering the interaction between a sleeper,ballast layer,and substructure,a three-dimensional coupled discrete-finite element method for a ballasted railway track is proposed in this study.Ballast granules with irr... Considering the interaction between a sleeper,ballast layer,and substructure,a three-dimensional coupled discrete-finite element method for a ballasted railway track is proposed in this study.Ballast granules with irregular shapes are constructed using a clump model using the discrete element method.Meanwhile,concrete sleepers,embankments,and foundations are modelled using 20-node hexahedron solid elements using the finite element method.To improve computational efficiency,a GPU-based(Graphics Processing Unit)parallel framework is applied in the discrete element simulation.Additionally,an algorithm containing contact search and transfer parameters at the contact interface of discrete particles and finite elements is developed in the GPU parallel environment accordingly.A benchmark case is selected to verify the accuracy of the coupling algorithm.The dynamic response of the ballasted rail track is analysed under different train speeds and loads.Meanwhile,the dynamic stress on the substructure surface obtained by the established DEM-FEM model is compared with the in situ experimental results.Finally,stress and displacement contours in the cross-section of the model are constructed to further visualise the response of the ballasted railway.This proposed coupling model can provide important insights into high-performance coupling algorithms and the dynamic characteristics of full scale ballasted rail tracks. 展开更多
关键词 Ballasted track coupled discrete element-finite element method GPU parallel algorithm dynamic characteristics
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A review of methods,applications and limitations for incorporating fluid flow in the discrete element method 被引量:9
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作者 Tuo Wang Fengshou Zhang +1 位作者 Jason Furtney Branko Damjanac 《Journal of Rock Mechanics and Geotechnical Engineering》 SCIE CSCD 2022年第3期1005-1024,共20页
The past decade has witnessed the substantial growth in research interests and progress on the subject of coupled hydro-mechanical processes in rocks and soils,driven mainly by the surge of research in unconventional ... The past decade has witnessed the substantial growth in research interests and progress on the subject of coupled hydro-mechanical processes in rocks and soils,driven mainly by the surge of research in unconventional hydrocarbon reservoirs and associated hazards.Many coupling techniques have been developed to include the effects of fluid flow in the discrete element method(DEM),and the techniques have been applied to a variety of geomechanical problems.Although these coupling methods have been successfully applied in various engineering fields,no single fluid/DEM coupling method is universal due to the complexity of engineering problems and the limitations of the numerical methods.For researchers and engineers,the key to solve a specific problem is to select the most appropriate fluid/DEM coupling method among these modeling technologies.The purpose of this paper is to give a comprehensive review of fluid flow/DEM coupling methods and relevant research.Given their importance,the availability or unavailability of best practice guidelines is outlined.The theoretical background and current status of DEM are introduced first,and the principles,applications,and advantages and disadvantages of different fluid flow/DEM coupling methods are discussed.Finally,a summary with speculation on future development trends is given. 展开更多
关键词 Hydro-mechanical process Fluid/discrete element method(DEM) coupling GEOMECHANICS Numerical modeling
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温度与荷载共同作用下钢筋混凝土桩的细观损伤 被引量:1
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作者 王多银 陈杰 +4 位作者 陈昊然 段伦良 胡勇 蒋明杰 洪璐 《科学技术与工程》 北大核心 2024年第6期2562-2572,共11页
为探究港口码头不同环境因素对码头桩身材料特性的劣化影响而降低桩身承载能力,通过颗粒流分析程序(particle flow code 3D,PFC3D)建立三维颗粒流离散元钢筋混凝土桩模型开展研究。对温度-应力模型进行建立,选取热学参数,构建了温度热... 为探究港口码头不同环境因素对码头桩身材料特性的劣化影响而降低桩身承载能力,通过颗粒流分析程序(particle flow code 3D,PFC3D)建立三维颗粒流离散元钢筋混凝土桩模型开展研究。对温度-应力模型进行建立,选取热学参数,构建了温度热管模型,通过分级加热,得到了钢筋混凝土桩的横向拉伸应变、纵向压缩应变以及微裂缝生长数量随温度变化曲线;调整模型混凝土粗骨料占比与强度等级,研究其对钢筋混凝土桩受热损伤的影响;通过施加温度场的模型进行水平加荷载后,得到的应力应变曲线;基于模型微裂隙数量的损伤变量,并构建了损伤变量-轴向应变曲线,进一步分析了温度-荷载共同作用的损伤规律。结果表明:混凝土轴向压缩应变和横向拉伸应变会随温度的增加而逐渐升高,细观微裂隙数量会随温度的升高而增长;粗骨料占比升高会使受热初始损伤增加;温度的升高,材料的宏观力学性能出现了不同程度的降低。 展开更多
关键词 钢筋混凝土桩 离散元 PFC3D 水平荷载 热力耦合
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基于微观流固耦合的超深层致密砂岩气藏应力敏感性分析
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作者 姚军 王春起 +2 位作者 黄朝琴 周旭 李金龙 《天然气工业》 EI CAS CSCD 北大核心 2024年第5期45-55,共11页
超深层致密砂岩气藏具有强应力敏感性,目前常用的研究方法包括压力脉冲实验法和实时在线CT扫描法两种,压力脉冲实验法不能揭示产生应力敏感性的微观机理,而实时在线CT扫描法也无法模拟深部地层高压、高应力的条件。为解决应力敏感性实... 超深层致密砂岩气藏具有强应力敏感性,目前常用的研究方法包括压力脉冲实验法和实时在线CT扫描法两种,压力脉冲实验法不能揭示产生应力敏感性的微观机理,而实时在线CT扫描法也无法模拟深部地层高压、高应力的条件。为解决应力敏感性实验研究的不足,基于离散单元法与管道网络模型建立了微观流固耦合算法,编制了模拟器,并对模拟器力学计算和流固耦合模块的正确性进行了验证,分析了应力大小、加载方向和孔隙压力对岩心渗透率的影响,最后从微观上揭示了超深层致密砂岩气藏的应力敏感性机理。研究结果表明:①应力通过增加与之垂直方向上喉道两侧的法向压力,减小喉道的水力半径,进而降低储层的渗透率;②较高的孔隙压力能够阻碍岩石颗粒在应力作用下的移动,从而减缓了孔隙和喉道的变形,使模型保持较高的渗透率;③致密砂岩气藏的渗透率受到应力和地层压力的共同控制,并且具有各向异性,在垂直于最小主应力方向上形成渗透率较大的优势通道;④异常高压阻碍了地应力的压实作用,有利于保护储层孔隙,使地层有较好的储集性能和较高的渗透率。结论认为,根据离散元法结合孔隙网络模型建立的流固耦合方法可为理解超深层致密砂岩应力敏感性提供理论参考,并为超深层致密砂岩气藏的科学高效开发提供指导。 展开更多
关键词 超深层 致密砂岩气藏 离散元法 流固耦合 渗透率 应力敏感性 数值模拟
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基于CFD-DEM耦合的梯级溜槽的设计与分析
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作者 孙晓霞 胡枫 孟文俊 《中国工程机械学报》 北大核心 2024年第5期652-656,661,共6页
针对传统物料转运过程中溜槽和输送带磨损严重、出口处粉尘浓度过高的问题,建立含臂架的梯级溜槽几何模型,采用基于计算流体力学与离散单元法(CFD-DEM)耦合的数值模拟方法,分析了臂架对转运溜槽的磨损以及对其出口处粉尘排放浓度的影响... 针对传统物料转运过程中溜槽和输送带磨损严重、出口处粉尘浓度过高的问题,建立含臂架的梯级溜槽几何模型,采用基于计算流体力学与离散单元法(CFD-DEM)耦合的数值模拟方法,分析了臂架对转运溜槽的磨损以及对其出口处粉尘排放浓度的影响。仿真结果表明:含臂架的梯级溜槽可以有效控制物料流的速度和方向,降低对溜槽内表面的冲击磨损,降低出口处的粉尘量。 展开更多
关键词 转运溜槽 计算流体力学与离散单元法(CFD-DEM)耦合 粉尘
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采煤机滚筒工作性能优化研究
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作者 王宏伟 郭军军 +3 位作者 梁威 耿毅德 陶磊 李进 《工矿自动化》 CSCD 北大核心 2024年第4期133-143,共11页
在实际生产中,截割破碎过程是多作用耦合的结果,离散元法(DEM)与多体动力学(MBD)双向耦合技术可实现煤机设备与煤壁的信息交互,符合实际生产情况,具有较大的优越性。为提高采煤机滚筒的工作性能,基于DEM−MBD双向耦合机理,结合力学性能... 在实际生产中,截割破碎过程是多作用耦合的结果,离散元法(DEM)与多体动力学(MBD)双向耦合技术可实现煤机设备与煤壁的信息交互,符合实际生产情况,具有较大的优越性。为提高采煤机滚筒的工作性能,基于DEM−MBD双向耦合机理,结合力学性能试验和模拟试验得到实际工况参数,采用仿真软件EDEM和RecurDyn建立了采煤机滚筒截割煤壁的双向耦合模型,对仿真过程中滚筒所受的转矩和截割力进行分析,证明耦合效果和截割效果较好。设计了单因素试验和正交试验,分析了滚筒运行参数对工作性能的影响规律,并利用SPSS软件得到滚筒转速、截割深度、牵引速度对截割比能耗、装煤率、载荷波动系数的影响程度,通过现场试验验证了模型的可行性。构建了以滚筒转速、截割深度、牵引速度为决策变量,以截割比能耗、装煤率和载荷波动系数为目标的多目标优化模型,利用改进多目标灰狼(MOGWO)算法和优劣解距离法(TOPSIS)对模型进行求解,得出当滚筒转速为31.12 r/min、截割深度为639.4 mm、牵引速度为5.58 m/min时,采煤机滚筒的工作性能最优,此时截割比能耗为0.4677 kW·h/^(3),装煤率为43.01%,载荷波动系数为0.3278。 展开更多
关键词 采煤机滚筒 双向耦合机理 离散元法 多体动力学 多目标优化 改进多目标灰狼优化算法 优劣解距离法
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冲旋步进钻井提速方法的井底裂纹拓展特性
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作者 刘永旺 刘嘉雄 +3 位作者 管志川 王华健 赵国山 张曙辉 《石油机械》 北大核心 2024年第7期45-53,106,共10页
针对深部地层井底岩石硬度高、强度大和应力集中现象导致的岩石可钻性差、破岩效率低和使用寿命短的问题,提出旋冲钻井和差压步进破岩方法相结合的冲旋步进钻井提速新理念。为了研究冲击作用下差压步进钻头破碎地层岩石的裂纹拓展规律,... 针对深部地层井底岩石硬度高、强度大和应力集中现象导致的岩石可钻性差、破岩效率低和使用寿命短的问题,提出旋冲钻井和差压步进破岩方法相结合的冲旋步进钻井提速新理念。为了研究冲击作用下差压步进钻头破碎地层岩石的裂纹拓展规律,采用有限-离散元(FDEM)方法建立了球齿冲击三维薄板模型,开展了球齿在不同冲击能量、冲击位置及岩石种类等条件下的冲击破岩过程模拟,获得了阶梯型井底岩石在冲击作用下的裂纹扩展规律。研究结果表明:由于阶梯面的存在,球齿在冲击作用下对阶梯型井底造成的预损伤区域比常规井底更大,冲击位置靠近阶梯面的裂纹扩展效果更好;双球齿冲击阶梯井底容易形成较大范围的岩石破碎区,降低了破碎阶梯井底地层岩石的难度;球齿冲击过程中对青砂岩造成的预损伤区域比花岗岩大,在冲击能量相同的情况下球齿冲击破碎花岗岩更为困难。利用冲旋步进钻井方法理论上可以进一步提高难钻地层钻井速度,但具体效果需要经现场试验及优化。所得结论可为深部难钻地层钻井速度的提升提供新的思路。 展开更多
关键词 冲旋步进钻井方法 阶梯井底 差压步进钻头 有限-离散元耦合 裂纹扩展
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重载铁路钢轨焊接不平顺对道床动力特性的影响
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作者 刘丹 张大伟 +2 位作者 宋宏图 佟鑫 苏成光 《中国铁道科学》 EI CAS CSCD 北大核心 2024年第4期1-11,共11页
在车轮反复碾压作用下,钢轨接头区域易出现马鞍形不平顺、低塌等缺陷。为分析重载铁路钢轨焊接不平顺对有砟道床动力特性的影响,首先建立车辆-轨道耦合动力学模型,计算钢轨焊接不平顺影响下的轨枕上动压力;然后采用离散元分析方法,建立... 在车轮反复碾压作用下,钢轨接头区域易出现马鞍形不平顺、低塌等缺陷。为分析重载铁路钢轨焊接不平顺对有砟道床动力特性的影响,首先建立车辆-轨道耦合动力学模型,计算钢轨焊接不平顺影响下的轨枕上动压力;然后采用离散元分析方法,建立有砟轨道结构二维模型,将焊接不平顺影响下的轨枕上动压力作为荷载输入,模拟分析钢轨焊接不平顺对有砟轨道结构道床动力特性的影响。结果表明:钢轨焊接不平顺显著增加了接头两侧轨枕上动压力,且不平顺短波波长越长,影响范围越大,当波长为0.2 m、波深为0.7 mm时,接头两侧轨枕上动压力增加显著,最大值相较于随机不平顺时增加了50.52%;随着焊接不平顺短波波长的减小及波深的增加,道床垂向加速度、摩擦耗能以及累积变形均随之增加;道砟颗粒间最大接触力受焊接不平顺影响较为显著,尤其当短波波深大于0.5 mm时,最大接触力随波深增加而显著增大;当短波波长为0.1 m、波深为0.7 mm时,相较于随机不平顺,道床应力增加55.89%,距道床顶面0.15 m深度处的道砟颗粒加速度增加了449.42%。 展开更多
关键词 重载铁路 有砟道床 焊接不平顺 动力特性 车辆-轨道耦合动力学 离散元
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A novel two-way method for dynamically coupling a hydrodynamic model with a discrete element model(DEM) 被引量:3
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作者 Yan Xiong Qiuhua Liang +2 位作者 Samantha Mahaffey Mohamed Rouainia Gang Wang 《Journal of Hydrodynamics》 SCIE EI CSCD 2018年第5期966-969,共4页
The effect of floating objects has so far been little considered for hazard risk assessment and structure design, despite being an important factor causing structural damage in flood-prone and coastal areas. In this w... The effect of floating objects has so far been little considered for hazard risk assessment and structure design, despite being an important factor causing structural damage in flood-prone and coastal areas. In this work, a novel two-way method is proposed to fully couple a shock-capturing hydrodynamic model with a discrete element model (DEM) for simulation of complex debris-enriched flow hydrodynamics. After being validated against an idealized analytical test, the new coupled model is used to reproduce flume experiments of floating debris driven by dam-break waves. The numerical results agree satisfactorily with the experimental measurements, demonstrating the model's capability and efficiency in simulating complex fluid-debris interactions induced by violent shallow flows. 展开更多
关键词 coupled model discrete element model (DEM) extreme hydraulic conditions floating debris shallow water equations Godunov-type finite volume method
原文传递
粗粒土力学特性的大型三轴试验及离散元—有限元耦合模拟 被引量:1
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作者 刘重宏 巨能攀 +1 位作者 周新 许烈 《成都理工大学学报(自然科学版)》 CAS CSCD 北大核心 2024年第2期291-302,共12页
本文旨在探究粗粒土的力学特性,并揭示细观力学组构与宏观变形特征之间的内在关系。综合室内大型三轴试验及离散元—有限元耦合技术,建立还原大粒径块石含量及形状的粗粒土三维数值模型,基于柔性围压加载,考虑Rigid Block刚性块优化块... 本文旨在探究粗粒土的力学特性,并揭示细观力学组构与宏观变形特征之间的内在关系。综合室内大型三轴试验及离散元—有限元耦合技术,建立还原大粒径块石含量及形状的粗粒土三维数值模型,基于柔性围压加载,考虑Rigid Block刚性块优化块石的细观模型,采用PFC程序对粗粒土试样开展了大型三轴试验数值模拟研究,分析粗粒土试样的宏观变形特征及细观力学组构特性。试验研究表明:该试样呈现出应变强化效应,在围压柔性加载下,试样侧向鼓胀变形,试样中部发育“X”形剪切带,竖直方向接触力链逐渐加强,呈现贯通趋势。结合宏观变形特征和细观力学组构综合分析,发现试样在竖直方向由压缩引发的变形程度较试样径向方向由剪切破坏所引发的变形程度更为显著,且竖直各向异性变化程度大于水平各向异性变化程度,这表明细观力学组构与宏观变形特征的变化趋势具有明显的一致性。 展开更多
关键词 三轴试验 粗粒土 离散元—有限元耦合 细观组构
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基于双向耦合法的采煤机螺旋滚筒振动特性分析 被引量:4
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作者 张美晨 赵丽娟 +1 位作者 李明昊 田震 《煤炭科学技术》 EI CAS CSCD 北大核心 2024年第3期200-216,共17页
为研究采煤机螺旋滚筒在多种赋存条件下的振动特性,以MG2×55/250–BWD型薄煤层采煤机为工程对象,优化煤岩接触模型,建立与实际赋存条件相似的多种不同截割工况下煤壁离散元模型。结合DEM–MFBD(Discrete Element Method-Multi Flex... 为研究采煤机螺旋滚筒在多种赋存条件下的振动特性,以MG2×55/250–BWD型薄煤层采煤机为工程对象,优化煤岩接触模型,建立与实际赋存条件相似的多种不同截割工况下煤壁离散元模型。结合DEM–MFBD(Discrete Element Method-Multi Flexible Body Dynamics)双向耦合数值模拟方法搭建采煤机截割部刚柔耦合虚拟样机模型与煤壁离散元模型的双向耦合试验平台,通过仿真试验得到不同煤岩工况下螺旋滚筒的截割过程,并分别对其振动特性的变化规律展开分析。研究结果表明:螺旋滚筒在截割过程中,三向均出现不同程度的振动,其中截割阻力方向振动加速度最大,牵引阻力方向振动加速度次之,侧向力方向振动加速度最小。随着模型中夹矸硬度以及层数比例的增加,截割过程中螺旋滚筒的振动强度不断加剧,最大振动加速度有效值的差值达到4403.149 mm/s^(2)。利用短时傅里叶变换将一维振动信号转化为二维时频谱图像,得到不同煤岩工况下振动信息变化特征在时频域中完成较好保留,其时频谱图像的特征样本效果优于各工况的时域一维信号曲线,主频能量位置、范围大小、特征团形状等信息具有明显区别,即使遇到夹矸层数不同,夹矸坚固性系数也存在差异的复杂工况,其时频谱图像中能量特征的分布形式也具有显著差别。通过振动模态分析发现,随着煤壁中含有夹矸硬度的增加,各部位的变形量均发生变化,其中截齿部位变化最为强烈。基于相似理论搭建采煤机振动信号测试试验平台,对不同煤岩工况条件下螺旋滚筒截割过程进行了测试研究,通过追踪螺旋滚筒的振动状态,发现其振动变化规律与双向耦合数值模拟一致。试验测试得到DEM–MFBD数值模拟方法获取的螺旋滚筒振动加速度有效值与依据相似比反推的试验数据之间的误差小于DEM离散元数值模拟方法与实验数据之间的误差,验证了DEM–MFBD数值模拟方法的准确性。研究结果对于提升螺旋滚筒工作可靠性具有重要意义,同时也为采煤机智能化开采的煤岩截割状态识别系统搭建过程中数据信息的获取提供了一种新的方法。 展开更多
关键词 双向耦合法 离散元–多柔体动力学 螺旋滚筒 振动特性 模态
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多级水力压裂应力阴影效应的数值分析 被引量:1
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作者 宋进鑫 郁航 +2 位作者 王雅亭 陈佳亮 鞠杨 《矿业科学学报》 CSCD 北大核心 2024年第3期475-482,共8页
多级水力压裂作为储层改造的主要技术手段,广泛用于提高致密油气藏的气体产量。裂缝在扩展过程中的应力阴影效应对于有效连通储层的天然裂缝并形成有利于油、气体流动的复杂裂缝网络至关重要。本研究采用了自适应的有限元-离散元方法,... 多级水力压裂作为储层改造的主要技术手段,广泛用于提高致密油气藏的气体产量。裂缝在扩展过程中的应力阴影效应对于有效连通储层的天然裂缝并形成有利于油、气体流动的复杂裂缝网络至关重要。本研究采用了自适应的有限元-离散元方法,通过改进网格自动细化和识别多个裂缝扩展模拟含天然裂缝储层的多级水力压裂。数值模型中考虑了水力裂缝、天然裂缝和微观孔隙结构的相互作用,整合了非线性的Carter滤失模型来描述多级压裂过程中压裂液的滤失效应。引入了理想平行板流的支撑剂运输方程,并采用了达西定律来分析裂缝网络中的流体渗透效应。通过比较无裂缝均质模型和天然裂缝模型的裂缝网络和流体流动,评估了天然裂缝对多级压裂裂缝行为和气体产量的影响。研究为确定和优化致密气藏中压裂簇间距提供了一种新的方法。 展开更多
关键词 自适应有限元-离散元法 应力阴影效应 流体力学耦合 压裂液滤失效应
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有砟道床人工捣固作业模型建立及力学性能分析
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作者 钱忠霞 肖宏 +2 位作者 张智海 迟义浩 方家 《中南大学学报(自然科学版)》 EI CAS CSCD 北大核心 2024年第3期1241-1251,共11页
为研究人工捣固作业对道床质量状态的作用机理,基于离散元与多体动力学耦合的建模方法,建立人工捣固装置-散体道床仿真模型,有效模拟工人的捣固作业过程,并通过现场试验结果验证模型的正确性,分析人工捣固作业对道床刚度及接触状态的影... 为研究人工捣固作业对道床质量状态的作用机理,基于离散元与多体动力学耦合的建模方法,建立人工捣固装置-散体道床仿真模型,有效模拟工人的捣固作业过程,并通过现场试验结果验证模型的正确性,分析人工捣固作业对道床刚度及接触状态的影响。研究结果表明:人工捣固作业会使道床刚度降低,作业后支承刚度为101.85 kN/mm,降低了28.48%,回弹刚度为206.77 kN/mm,降低了9.02%;在捣入及振捣阶段,道砟间接触状态发生改变,同时轨枕下方与道砟颗粒的接触数目增多,有利于枕下空隙的填充;在撤镐阶段,道砟配位数逐渐增大,法向接触力分布趋向均匀,有利于道床的稳定;人工捣固作业有效减小了轨枕周边区域道砟间接触状态的差异。 展开更多
关键词 有砟道床 人工捣固装置 离散元 耦合算法 接触状态
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基于PFC-FLAC耦合的砂土中桩基轴向承载特性分析
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作者 罗晓健 郭学龙 +2 位作者 刘润 梁超 许泽伟 《水道港口》 2024年第3期441-447,共7页
随着海上风电的蓬勃发展,单桩基础因其适用性和经济性较好而得到广泛应用,且单桩基础设计直径和长度在逐渐增大。桩长的增加使得桩-土相互作用模式区别于短桩,力的传递过程发生了明显的改变。为探究单桩基础轴向承载机制,以密实的福建... 随着海上风电的蓬勃发展,单桩基础因其适用性和经济性较好而得到广泛应用,且单桩基础设计直径和长度在逐渐增大。桩长的增加使得桩-土相互作用模式区别于短桩,力的传递过程发生了明显的改变。为探究单桩基础轴向承载机制,以密实的福建标准砂为材料,基于室内三轴试验标定了土体参数,采用连续-非连续耦合方法,利用PFC-FLAC软件建立耦合模型模拟了桩基轴向静载过程,以宏微观相结合的角度研究桩土间相互作用机理,揭示密实砂土中荷载传递规律。结果表明:桩身轴力随荷载增加逐渐向下发挥,加载初期桩端处不承担承载力;加载过程中,桩土间相互作用使桩身周围土体逐渐致密,且主要承担荷载区域深度为15 D~30D,孔隙比变化更大,应力集中更为显著,表现为明显的摩擦桩特性。 展开更多
关键词 桩基 轴向承载 连续-非连续 密实砂土 耦合分析 离散元
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月球车与月壤交互作用的离散元-多体动力学耦合建模
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作者 徐鸿 雷波 刘锦阳 《振动与冲击》 EI CSCD 北大核心 2024年第4期239-249,共11页
目前,对于散体颗粒物质与复杂机械系统的耦合作用研究,面临着跨尺度、计算规模庞大以及非光滑表面的接触检测困难等问题。为了探究月球车与月壤交互作用,首先对颗粒-多体耦合系统动力学建模与接触算法进行研究。分别用离散元方法(discre... 目前,对于散体颗粒物质与复杂机械系统的耦合作用研究,面临着跨尺度、计算规模庞大以及非光滑表面的接触检测困难等问题。为了探究月球车与月壤交互作用,首先对颗粒-多体耦合系统动力学建模与接触算法进行研究。分别用离散元方法(discrete element method, DEM)和多体动力学(multibody dynamics, MBD)笛卡尔方法建立了散体球形颗粒和含约束多体系统的动力学模型,并基于Hertz-Mindlin模型计算颗粒与刚体的接触力,在此基础上给出顺序耦合策略,建立了离散元和多体耦合的动力学模型。针对月球车齿状车轮的非光滑表面与颗粒之间接触检测规模庞大的问题,提出了非光滑形状物体的分区域局部检测方法,降低了局部检测的规模。通过对比圆柱体冲击颗粒的试验和仿真结果,验证了离散元-多体耦合模型的准确性。在耦合动力学建模和接触算法研究的基础上,对具有齿状车轮的月球车在月壤上行驶过程进行动力学仿真,研究不同驱动参数下的系统动力学特性以及不同轮胎形状对行驶运动的影响,研究结果表明,交错形轮齿的月球车相较直齿形轮齿前进距离多14%,前进效率较高,该研究对月球车的设计具有理论指导意义。 展开更多
关键词 离散元方法(DEM) 多体动力学(MBD) 月球车 耦合建模 高效接触检测
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大变幅加卸载下特厚煤层底板断层突水机理模拟研究
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作者 李浩 朱开鹏 +2 位作者 郭国强 周杨 康志勤 《煤田地质与勘探》 EI CAS CSCD 北大核心 2024年第5期118-128,共11页
特厚煤层采场空间大、扰动范围广,强烈大变幅荷载易导致底板断层破裂加剧并诱发水害。数值模拟是揭示特厚煤层底板断层活化与突水机理的重要方法,准确反映大变幅加卸载下岩体破裂与裂隙水耦合特征是其合理性的关键。构建损伤变量与塑性... 特厚煤层采场空间大、扰动范围广,强烈大变幅荷载易导致底板断层破裂加剧并诱发水害。数值模拟是揭示特厚煤层底板断层活化与突水机理的重要方法,准确反映大变幅加卸载下岩体破裂与裂隙水耦合特征是其合理性的关键。构建损伤变量与塑性应变、应力之间的相关关系,得到完整岩块的拉、加压卸载损伤演化方程;以平方拉剪应力与Benzeggagh-Kenane为初始、完全断裂准则,建立塑性位移与强度劣化关系,建立加卸载韧性断裂本构关系;基于实验数据建立贯通裂隙加卸载剪切本构关系。以基本方程与状态方程为基础,结合浸没边界方法,形成裂隙岩体水力学模拟理论。由此编制流体动力学-有限离散元CFD-FDEM耦合程序,模拟研究特厚煤层底板断层活化突水过程。结果表明:CFD-FDEM耦合程序可数值实现特厚煤层底板断层从(准)连续体到离散体转化,以及断层带裂隙水运移过程。底板断层采动破坏包络线呈W形,最深位于断层及其上盘(48.6m),最浅位于断层下盘(23m)。特厚煤层采场底板断层及其上盘受到较大超前集中应力,而后在采空区内大幅卸载,导致该位置出现显著二次破坏,并形成主要导水通道。研究成果为特厚煤层工作面底板断层水害防治提供理论支撑。 展开更多
关键词 特厚煤层 底板断层 突水机理 CFD-FDEM耦合 大变幅加卸载
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Fluid-solid coupling numerical simulation of micro-disturbance grouting treatment for excessive deformation of shield tunnel
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作者 Yanjie Zhang Zheng Cao +1 位作者 Chun Liu Hongwei Huang 《Underground Space》 SCIE EI CSCD 2024年第6期87-100,共14页
Micro-disturbance grouting is a recovery technique to reduce the excessive deformation of operational shield tunnels in urban areas.The grout mass behaves as a fluid in the ground before hardening to form a grout–soi... Micro-disturbance grouting is a recovery technique to reduce the excessive deformation of operational shield tunnels in urban areas.The grout mass behaves as a fluid in the ground before hardening to form a grout–soil mixture,which highlights the necessity of using fluid–solid coupling method in the simulation of grouting process.Within a discrete element modeling environment,this paper proposes a novel fluid-solid coupling method based on the pore density flow calculation.To demonstrate the effectiveness of this method,it is applied to numerical simulation of micro-disturbance grouting process for treatment of large transverse deformation of a shield tunnel in Shanghai Metro,China.The simulation results reveal the mechanism of recovering tunnel convergence by micro-disturbance grouting in terms of compaction and fracture of soil,energy analysis during grouting,and mechanical response of soil-tunnel interaction system.Furthermore,the influence of the three main grouting parameters(i.e.,grouting pressure,grouting distance,and grouting height)on tunnel deformation recovery efficiency is evaluated through parametric analysis.In order to efficiently recover large transverse deformation of shield tunnel in Shanghai Metro,it is suggested that the grouting pressure should be about 0.55 MPa,the grouting height should be in the range of 6.2–7.0 m,and the grouting distance should be in the range of 3.0–3.6 m.The results provide a valuable reference for grouting treatment projects of over-deformed shield tunnel in soft soil areas. 展开更多
关键词 Fluid-solid coupling discrete element method Pore density flow Micro-disturbance grouting Soil-tunnel interaction
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Experimental study and numerical simulation of the impact of under-sleeper pads on the dynamic and static mechanical behavior of heavy-haul railway ballast track
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作者 Yihao Chi Hong Xiao +2 位作者 Yang Wang Zhihai Zhang Mahantesh M.Nadakatti 《Railway Engineering Science》 EI 2024年第3期384-400,共17页
Laying the under-sleeper pad(USP)is one of the effective measures commonly used to delay ballast degradation and reduce maintenance workload.To explore the impact of application of the USP on the dynamic and static me... Laying the under-sleeper pad(USP)is one of the effective measures commonly used to delay ballast degradation and reduce maintenance workload.To explore the impact of application of the USP on the dynamic and static mechanical behavior of the ballast track in the heavy-haul railway system,numerical simulation models of the ballast bed with USP and without USP are presented in this paper by using the discrete element method(DEM)-multi-flexible body dynamic(MFBD)coupling analysis method.The ballast bed support stiffness test and dynamic displacement tests were carried out on the actual operation of a heavy-haul railway line to verify the validity of the models.The results show that using the USP results in a 43.01%reduction in the ballast bed support stiffness and achieves a more uniform distribution of track loads on the sleepers.It effectively reduces the load borne by the sleeper directly under the wheel load,with a 7.89%reduction in the pressure on the sleeper.Furthermore,the laying of the USP changes the lateral resistance sharing ratio of the ballast bed,significantly reducing the stress level of the ballast bed under train loads,with an average stress reduction of 42.19 kPa.It also reduces the plastic displacement of ballast particles and lowers the peak value of rotational angular velocity by about 50%to 70%,which is conducive to slowing down ballast bed settlement deformation and reducing maintenance costs.In summary,laying the USP has a potential value in enhancing the stability and extending the lifespan of the ballast bed in heavy-haul railway systems. 展开更多
关键词 Heavy-haul railway Under-sleeper pad discrete element method Multi-flexible body dynamic coupling analysis Mechanical behavior Quality state
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基于离散元-有限差分耦合的摩擦型轨枕底部凹槽形状对有砟道床横向阻力的影响机理
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作者 沈泽涵 肖源杰 +4 位作者 谭攀 姜钰 王萌 华文俊 张冲冲 《中南大学学报(自然科学版)》 EI CAS CSCD 北大核心 2024年第10期3787-3802,共16页
摩擦型轨枕可有效增强有砟道床横向阻力,但目前没有相关设计规范,摩擦型轨枕底部凹槽对横向阻力的增加机制尚不清晰。为深入分析不同凹槽形状对道床横向阻力的影响并揭示横向阻力的增强机理,基于横向阻力现场测试和离散元-有限差分耦合... 摩擦型轨枕可有效增强有砟道床横向阻力,但目前没有相关设计规范,摩擦型轨枕底部凹槽对横向阻力的增加机制尚不清晰。为深入分析不同凹槽形状对道床横向阻力的影响并揭示横向阻力的增强机理,基于横向阻力现场测试和离散元-有限差分耦合方法建立三维轨枕-有砟道床-路基数值模型,从宏、细观层面研究5种不同轨枕底部凹槽形状对横向阻力的影响。研究结果表明:与普通型轨枕相比,不同摩擦型轨枕的横向阻力增幅存在较大差异,范围为35.1%~80.2%,且横向阻力随凹槽侧面积的增加而呈对数增加;由于底部凹槽对道砟颗粒的约束作用,轨枕底部与道砟颗粒的接触数增加,凹槽附近的接触力增大,接触力链分布更密集;摩擦型轨枕周围颗粒的位移和旋转受到更强的约束;摩擦型轨枕各向异性在轨枕出现位移后向水平面转变,这是增强横向阻力的主要细观因素。建议在有砟轨道的设计中,采用具有不连续槽的摩擦轨枕,并考虑以最大化凹槽侧面积为目标进行设计。 展开更多
关键词 有砟道床 横向阻力 摩擦型轨枕 轨枕形状 离散元-有限差分耦合
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A coupled DEM and LBM model for simulation of outbursts of coal and gas 被引量:9
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作者 Sheng Xue Liang Yuan +2 位作者 Junfeng Wang Yucang Wang Jun Xie 《International Journal of Coal Science & Technology》 EI 2015年第1期22-29,共8页
An outburst of coal and gas is a major hazard in underground coal mining. It is generally accepted that an outburst occurs when certain conditions of stress, coal gassiness and physical-mechanical properties of coal a... An outburst of coal and gas is a major hazard in underground coal mining. It is generally accepted that an outburst occurs when certain conditions of stress, coal gassiness and physical-mechanical properties of coal are met. Outbursting is recognized as a two-step process, i.e., initiation and development. In this paper, we present a fully-coupled solid and fluid code to model the entire process of an outburst. The deformation, failure and fracture of solid (coal) are modeled with the discrete element method, and the flow of fluid (gas and water) such as free flow and Darcy flow are modeled with the lattice Boltzmann method. These two methods are coupled in a two-way process, i.e., the solid part provides a moving boundary condition and transfers momentum to the fluid, while the fluid exerts a dragging force upon the solid. Gas desorption from coal occurs at the solid-fluid boundary, and gas diffusion is implemented in the solid code where particles are assumed to be porous. A simple 2D example to simulate the process of an outburst with the model is also presented in this paper to demonstrate the capability of the coupled model. 展开更多
关键词 Coal and gas outburst discrete element method Lattice Boltzmann method Solid-fluid coupling
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