[发明专利]一种基于离散元法的非粘结颗粒材料宏观结构阻尼计算模拟方法

说明书

本申请公开了一种基于离散元法的非粘结颗粒材料宏观结构阻尼计算模拟方法，包括以下步骤：建立虚拟数值试验模型；纳米压痕、纳米划痕试验测试获取本构参数；阻尼耗散能、摩擦能数值计算及监控；基于各计算步状态累加方式的非粘结颗粒材料宏观结构阻尼演化计算。本发明的优点在于，首先通过离散元软件下各计算步状态累加，突破离散元法下无法进行连续积分的缺陷，其次建立每个周期内结构内部颗粒在动载作用下耗散能与相应结构阻尼的对应关系，并基于此提出一种离散体系下非粘结颗粒族结构宏观阻尼准确计算方法，为实现非粘结颗粒材料长久性能预估提供重要保证。

技术领域

本发明涉及一种基于离散元法的非粘结颗粒材料宏观结构阻尼计算模拟方法，属于道路工程技术领域。

背景技术

道路工程中，非粘结颗粒材料应用广泛，如级配碎石、砂土等。在非粘结颗粒材料用于不同道路结构层时，需要保证其结构的稳定性，非粘结颗粒材料一般以嵌挤作用为主，形成较强的骨架结构，当承受外部荷载作用时，其塑性、永久变形、破坏形式主要是因为颗粒嵌挤状态改变、颗粒持续滑移造成。而在动载作用下，由颗粒体系构成的结构其宏观模量、刚度并不能直接精确的表征出这种内部的颗粒接触状态，仅仅能在一定程度上表征整体体系的承载能力。相反结构的宏观阻尼反应的是整体结构在动载作用下能量耗散的表征系数，在非粘结颗粒材料组成的结构内，这部分能量耗散主要由颗粒滑移造成，故通过结构阻尼来反映非粘结材料颗粒内部接触状态从而准确判断结构内部变化的方法最为合适。然而作为一个人为表征的数学变量，且与耗散能挂钩，非粘结颗粒材料所组成结构的宏观阻尼无法直接有效的通过室内或者现场试验获得，环境、人为干扰因素过大，故本发明提出一种非粘结颗粒材料的结构阻尼离散元计算方法，通过不同计算步下状态量的累加计算，克服了离散元体系下无法连续积分的缺陷，所提出的方法能够较好的模拟并预测非粘结颗粒材料在动载作用下的接触响应，为长效性能服役性能预测、结构组成设计提供重要基础。

发明内容

解决的技术问题：本申请主要是提出一种基于离散元法的非粘结颗粒材料宏观结构阻尼计算模拟方法，解决现有技术中存在的离散元软件无法精确计算结构阻尼等技术问题，提供了一种基于离散元法的非粘结颗粒材料宏观结构阻尼计算模拟方法。

技术方案：一种基于离散元法的非粘结颗粒材料宏观结构阻尼计算模拟方法，包括以下步骤：

第一步：建立虚拟数值试验模型；

第二步：纳米压痕、纳米划痕试验测试获取本构参数；

第三步：工况加载，阻尼耗散能、摩擦能数值计算及监控；

第四步：基于各计算步状态累加方式的非粘结颗粒材料宏观结构阻尼演化计算。

作为本发明的一种优选技术方案：所述非粘结颗粒材料是指具有弹性特征、无粘结属性的颗粒系材料，非粘结颗粒材料粒径≤30mm。

作为本发明的一种优选技术方案：所述第一步中，基于离散元软件PFC建立虚拟数值试件，在虚拟数值试件底侧、左右两侧设定三面固定的虚拟墙以模拟试件容器，在虚拟容器内按照实际材料级配组成生成小球颗粒并压实至实际空隙率以真实模拟实际颗粒系材料的结构状态，在虚拟容器上方建立三个可移动的墙模拟真实加载头，材料颗粒系的本构模型为表征弹性的Linear-contact model、表征摩擦的Slipping model以及颗粒间全局阻尼系数A。

作为本发明的一种优选技术方案：所述第二步中，针对非粘结颗粒材料进行纳米压痕、划痕测试，测试前，根据所选定的非粘结颗粒材料粒径分布特征，选取不同粒径范围内的特征样品，针对级配碎石类材料，选择粒径4.75mm以下、4.75-9.5mm、9.5-13.2mm、13.2-16mm、16-19mm、19-25.6mm以及25.6mm以上的特征样品，对不同粒径的颗粒材料进行纳米压痕曲线获得压深-力曲线，通过纳米划痕试验获得颗粒表面划痕曲线，以压深-力、划痕曲线为基础，分别标定不同粒径大小的颗粒材料Linear-contact model、Slippingmodel内微观参数以及全局阻尼系数C的值。