基于纳米压痕测试的DEM弹塑性可变形颗粒接触模型

来源 :重庆大学 | 被引量 : 0次 | 上传用户:yangor2008
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离散介质是自然界中最为常见的物质存在状态,离散介质自身特有的性质决定了不能使用传统的连续介质理论对其进行研究。离散单元法作为一种研究非连续体运动的方法,在研究大量集合的散体材料的运动状态时有着不可替代的优势。颗粒的接触模型是离散元法计算颗粒接触力的核心,接触力计算的准确与否直接影响到了分析精度。随着接触力的增加,颗粒必然发生弹塑性变形,但现有颗粒弹塑性可变形的接触模型的研究主要集中在圆形和球形颗粒的模型的基础上,对于多边形颗粒模型的弹塑性理论相对较少。本文首先进行了纳米压痕实验,在此基础上,考虑压头角度和摩擦系数对加载和卸载的影响,对纳米压痕的过程进行有限元模拟,使用相应的模型拟合载荷-位移曲线。结果表明:摩擦因数对载荷-位移曲线的拟合量影响不大;压头的角度大小直接影响到拟合量的取值。其次,将多边形颗粒接触的过程假设为准静态过程,使用压痕试验得到的载荷-位移曲线的拟合量,对颗粒的顶点赋予相应的加载刚度和卸载刚度。在颗粒的接触过程中,接触力由加载刚度、卸载刚度和颗粒刺入的深度求出。通过改变颗粒顶点的径向半径的大小,来表征颗粒在接触过程中的弹塑性变形和接触后颗粒的残余变形。最后,使用Java和C语言编制相应的离散元程序,通过使用有限元和离散元法分别模拟多边形颗粒以一定的初始速度斜向碰撞刚性墙模型,验证接触模型的正确性。试验结果表明:相对于线性接触模型离散元模型,弹塑性模型能得到更为准确的接触力和碰撞时间,并能较为准确的表现材料在接触时发生的弹塑性变形和卸载后残留的塑性变形。相对于有限元碰撞模型,离散元法建模简单且能大量的节约计算成本。
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