›› 2017, Vol. 38 ›› Issue (5): 1463-1471.doi: 10.16285/j.rsm.2017.05.029

• 数值分析 • 上一篇    下一篇

一种模拟堆石料颗粒破碎的离散元-比例边界有限元结合法

罗 滔1, 2,E. T. Ooi2,A. H. C Chan3,傅少君1   

  1. 1. 武汉大学 土木建筑工程学院,湖北 武汉 430072;2. 澳大利亚联邦大学 科学与技术学部,澳大利亚 巴拉瑞特; 3. 塔斯马尼亚大学 工程信息与交流技术学院,澳大利亚 霍巴特
  • 收稿日期:2016-07-12 出版日期:2017-05-11 发布日期:2018-06-05
  • 通讯作者: 傅少君,男,1969年生,博士,教授,博士生导师,主要从事工程数值计算与分析方面的教学与研究工作。E-mail:shaojunfu69@vip.sina.com E-mail:luotao19870426@126.com
  • 作者简介:罗滔,男,1987年生,博士研究生,主要从事岩土工程数值计算方法研究方面的工作。

A combined DEM-SBFEM for modelling particle breakage of rock-fill materials

LUO Tao1, 2, E. T. Ooi2, A. H. C Chan3, FU Shao-jun1   

  1. 1. School of Civil Engineering, Wuhan University, Wuhan, Hubei 430072, China; 2. Faculty of Science and Technology, Federation University Australia, Ballarat, Australia; 3. School of Engineering, Information and Communication Technology, University of Tasmania, Hobart, Australia
  • Received:2016-07-12 Online:2017-05-11 Published:2018-06-05

摘要: 试验研究和数值模拟都表明,颗粒破碎对颗粒岩土材料的宏观力学响应具有重要的影响。结合离散元与比例边界有限元法,提出一种用于研究堆石料颗粒破碎行为的新的数值计算方法,可以将两种方法各自的优势同时发挥出来。离散单元法将被用于求解颗粒的运动以及相互作用。在每一个时间步尾,采用比例边界有限单元法计算颗粒内部的应力分布。比例边界有限单元法可以仅用一个任意边数的多边形来描述一个颗粒,大大节约应力计算的成本。当应力状态确定之后,Hoek-Brown准则将被引入用于确定颗粒内部的破坏点,当破坏点达到一定的比例时,即视为这个颗粒将破坏。为简化起见,假设破坏路径为直线,如果破坏发生,则该颗粒一分为二,各个新的颗粒将直接参与离散元和比例边界有限元的计算。该方法无需预定义任何子颗粒或网格重划分。最后以一个简单的双轴试验的模拟展现方法的可行性。

关键词: 堆石料, 离散单元法, 比例边界有限单元法, 颗粒破碎, Hoek-Brown 准则, 双轴试验

Abstract: Both experimental and numerical results demonstrate that particle breakage has significant influence on the macro mechanical response of granular soils. In this study, a novel computational method was proposed to simulate particle breakage phenomenon in granular soils. The proposed method based on the discrete element method (DEM) and the scaled boundary finite element method (SBFEM) has advantages of each method. Individual grains of soil are modelled by a single star-convex polygon with an arbitrary number of sides. The DEM is used to determine the motion of particles and the interaction among particles, whereas the SBFEM is applied to obtain stress states of grains at the end of each time step. Since the SBFEM flexibly describes the morphology of each grain with a single polygon consisting of an arbitrary number of sides, it greatly reduces the necessary computational resources for stress analysis. When the stress state has been confirmed, Hoek-Brown criterion is chosen to determine the ‘plastic points’ within each particle. Once the ratio of ‘plastic points’ reaches a predefined threshold, the particle breakage is triggered. As a straight breakage line is assumed for simplification, the particle is split into two when breakage occurs. The newly generated polygons are directly modelled by the DEM and SBFEM without any change of the formulation, and thus this method does not need to predefine sub-particles and re-meshing elements. At last, the feasibility of the newly developed method is verified by a biaxial benchmark test.

Key words: rock-fill materials, discrete element method, scaled boundary finite element method, particle breakage, Hoek-Brown criterion, biaxial test

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