岩土力学 ›› 2024, Vol. 45 ›› Issue (3): 908-916.doi: 10.16285/j.rsm.2023.0464

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三维可变形圆化多面体离散单元法

毛佳,余健坤,邵琳玉,赵兰浩   

  1. 河海大学 水利水电学院,江苏 南京 210098
  • 收稿日期:2023-04-13 接受日期:2023-08-03 出版日期:2024-03-11 发布日期:2024-03-20
  • 通讯作者: 赵兰浩,男,1980年生,博士,教授,主要从事流固耦合和水工结构抗震的工作。E-mail: zhaolanhao@hhu.edu.cn
  • 作者简介:毛佳,女,1991年生,博士,副教授,主要从事滑坡涌浪和流固耦合方面的研究。E-mail: maojia@hhu.edu.cn
  • 基金资助:
    国家自然科学基金资助项目(No.52009034);江西省水利厅科技项目(No.202223YBKT04);河海大学水安全与水科学协同创新中心

Discrete element method based on three dimensional deformable spheropolyhedra

MAO Jia, YU Jian-kun, SHAO Lin-yu, ZHAO Lan-hao   

  1. College of Water Conservancy and Hydropower Engineering, Hohai University, Nanjing, Jiangsu 210098, China
  • Received:2023-04-13 Accepted:2023-08-03 Online:2024-03-11 Published:2024-03-20
  • Supported by:
    This work was supported by the National Natural Science Foundation of China (52009034), the Science and Technology Project of Water Resources Department of Jiangxi Province (202223YBKT04) and the Cooperative Innovation Center for Water Safety and Hydro Science, Hohai University.

摘要: 为真实模拟岩体的变形特性与运动形态,将圆化多面体离散元法与有限单元法结合,提出一种三维可变形圆化多面体离散单元法。该方法既能真实表征块体的不规则特征,又降低了接触判断的难度,同时能准确反映块体的变形特性。在求解切向接触力时,将接触判断对象从接触对简化为单元整体,显著提高了计算效率。为分析块体变形特性,在块体离散单元内部划分有限元网格,将最外层有限元网格作为最小接触单元。采用直接平均法,将接触力转化为等效节点力,并采用非线性有限单元法实现对单元变形特性的精确模拟,克服了圆化多面体无法反映单元变形的缺陷。通过5个算例论证了新方法在捕捉单元变形、运动形态以及其力学特征等方面的准确性和高效性。

关键词: 圆化多面体离散单元法, 有限元法, 可变形单元, 等效节点力

Abstract: In order to simulate the deformation characteristic and motion forms of rock mass, a three-dimensional deformable spheropolyhedral discrete element method is presented, by combining the spheropolyhedral discrete element method (DEM) and the finite element method (FEM). This method effectively captures the irregular characteristics of the block, simplifies contact detection, and provides accurate representations of block deformation. The contact detection object is simplified from individual contact pair to the entire element during tangential contact force calculation, which significantly improves the computational efficiency. In order to analyze the deformation characteristics of the block, the finite element mesh is divided inside the discrete element of the block, with the outermost mesh defined as the minimum contact element. Contact forces are translated to equivalent nodal contact forces using the direct average method. Nonlinear finite element methods accurately simulate element deformation, overcoming the rigid body assumption of spheropolyhedra. Five numerical examples are simulated to verify the accuracy of the proposed method in capturing the deformation, motion morphology and mechanical characteristics of the element.

Key words: spheropolyhedral discrete element method, finite element method, deformable element, equivalent nodal force

中图分类号: 

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[1] 孙锐, 阳军生, 张庆贺, 杨峰, . 基于网格自适应加密策略的隧道稳定性三维极限分析下限有限元法研究[J]. 岩土力学, 2024, 45(4): 1256-1264.
[2] 王刚, 邓泽之, 金伟, 张建民, . 潜蚀的局部守恒有限元和有限体积交替解法[J]. 岩土力学, 2024, 45(3): 917-926.
[3] 朱彬, 裴华富, 杨庆, 卢萌盟, 王涛, . 基于随机有限元法的波致海床响应概率分析[J]. 岩土力学, 2023, 44(5): 1545-1556.
[4] 李艳朋, 李志远, 胡志强, 林皋, . 基于改进比例边界有限元法的成层场地中峡 谷−地下孔洞体系的散射分析[J]. 岩土力学, 2022, 43(S2): 553-562.
[5] 周洋诗琦, 赵兰浩, 邵琳玉, 毛佳. 可变形圆化多边形离散单元法[J]. 岩土力学, 2022, 43(7): 1961-1968.
[6] 胡静, 唐跃, 张家康, 邓涛. 高速列车荷载作用下饱和软土地基动力响应研究[J]. 岩土力学, 2021, 42(11): 3169-3181.
[7] 戴轩, 郭旺, 程雪松, 霍海峰, 刘国光, . 盾构隧道平行侧穿诱发的建筑纵向沉降 实测与模拟分析[J]. 岩土力学, 2021, 42(1): 233-244.
[8] 王翔南, 郝青硕, 喻葭临, 于玉贞, 吕禾. 基于扩展有限元法的大坝面板脱空三维模拟分析[J]. 岩土力学, 2020, 41(S1): 329-336.
[9] 薛阳, 吴益平, 苗发盛, 李麟玮, 廖康, 张龙飞. 库水升降条件下考虑饱和渗透系数空间变异性的白水河滑坡渗流变形分析[J]. 岩土力学, 2020, 41(5): 1709-1720.
[10] 江南, 黄林, 冯君, 张圣亮, 王铎, . 铁路悬索桥隧道式锚碇设计计算方法研究[J]. 岩土力学, 2020, 41(3): 999-1009.
[11] 陈佳莹, 滕竞成, 尹振宇, . 黏土中桶式基础的宏单元模拟[J]. 岩土力学, 2020, 41(11): 3823-3830.
[12] 曹洪, 胡瑶, 骆冠勇. 滤管两端均不在含水层层面的承压不 完整井近似计算方法研究[J]. 岩土力学, 2019, 40(7): 2774-2780.
[13] 王翔南, 李全明, 于玉贞, 喻葭临, 吕禾, . 基于扩展有限元法对土体滑坡破坏过程的模拟[J]. 岩土力学, 2019, 40(6): 2435-2442.
[14] 郑安兴, 罗先启, 陈振华, . 基于扩展有限元法的岩体水力劈裂耦合模型[J]. 岩土力学, 2019, 40(2): 799-808.
[15] 王冬勇, 陈曦, 于玉贞, 吕彦楠, . 基于二阶锥规划有限元增量加载法的条形浅基础极限承载力分析[J]. 岩土力学, 2019, 40(12): 4890-4896.
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[1] 姚仰平,侯 伟. 土的基本力学特性及其弹塑性描述[J]. , 2009, 30(10): 2881 -2902 .
[2] 陶干强,杨仕教,任凤玉. 崩落矿岩散粒体流动性能试验研究[J]. , 2009, 30(10): 2950 -2954 .
[3] 黄润秋,徐德敏. 岩石(体)渗透性测试的体变量法研究[J]. , 2009, 30(10): 2961 -2964 .
[4] 卢 正,姚海林,骆行文,胡梦玲. 公路交通荷载作用下分层地基的三维动响应分析[J]. , 2009, 30(10): 2965 -2970 .
[5] 李 磊,朱 伟 ,林 城,大木宜章. 干湿循环条件下固化污泥的物理稳定性研究[J]. , 2009, 30(10): 3001 -3004 .
[6] 刘振平,贺怀建,李 强,朱发华. 基于Python的三维建模可视化系统的研究[J]. , 2009, 30(10): 3037 -3042 .
[7] 姜领发,陈善雄,于忠久. 饱和土中任意形状衬砌对稳态压缩波的散射[J]. , 2009, 30(10): 3063 -3070 .
[8] 冷伍明,杨 奇,刘庆潭,聂如松. 软基高桥台桩-土相互作用计算新方法研究[J]. , 2009, 30(10): 3079 -3085 .
[9] 颜天佑,李同春,赵兰浩,季薇薇. 三维边坡稳定分析的有限元弹塑性迭代解法[J]. , 2009, 30(10): 3102 -3108 .
[10] 周晓杰,介玉新,李广信1. 基于渗流和管流耦合的管涌数值模拟[J]. , 2009, 30(10): 3154 -3158 .