一种粮食散料三轴试验柔性薄膜边界的离散元模拟方法

本发明涉及粮食散料力学特性分析和三轴试验数值模拟，尤其涉及一种粮食散料三轴试验柔性薄膜边界的离散元模拟方法。

背景技术：

1、随着科技的不断发展，粮食散料的力学特性已成为加工、运输及储存设备设计制造的基础。近年来，国内外许多研究已通过多种试验方法，如单轴压缩试验、直剪试验及静三轴试验，初步揭示了粮食散料的静力特性。其中静三轴试验是在规定的不同围压加载条件下，测定小麦的抗剪强度，即黏结力和内摩擦角，以评价小麦的力学性能。室内三轴试验是通过外层的橡皮膜传递围压，试样能随着围压的加载出现“鼓”状变形。由于粮食散料在不同产地和不同温湿度条件下其力学特性差异明显，室内试验往往不具有重复性和代表性，往往只能获得粮食散料在外荷载作用下的宏观力学响应，难以从细观角度对粮食散料的力学特性和破坏形态进行深入分析，如粮食颗粒运动规律、接触力等，而数值模拟为此提供了一条新的途径。其中颗粒离散元法凭借易实现、成本低、可重复性高等优点在探究颗粒材料细观尺度的变形破坏机理方面表现出显著的优越性，为粮食散料力学特性的研究提供了新途径。但值得注意的是，在采用离散元法建立三轴试验模型时，多数研究未能全面考虑三轴试验的柔性加载问题，模拟过程中是通过侧向圆柱形刚性墙施加围压，试样的横向变形受到约束，只能径向移动，无法反映加载过程中试样的横向变形特征。尽管已有研究采取组合墙、颗粒柔性膜等方法，考虑试样的横向变形，但此类方法不但增加了数值模拟细观参数确定的工作量，且在大变形下，还存在颗粒逃逸的问题。

2、通过采用一种粮食散料三轴试验柔性薄膜边界的离散元模拟方法能够通过连续-非连续介质间的耦合边界进行数据交换，克服传统连续介质模型理论的局限，并通过采用柔性薄膜边界的数值模拟方法，全面地模拟材料从完整到失效的损伤过程和破坏模式，同时可以从细观变化到宏观响应对粮食散料进行多尺度研究，可以较为真实的模拟粮食散料的力学行为，对粮食散料细观力学机制的研究至关重要。

技术实现思路

1、本发明所要解决的技术问题在于，提供一种粮食散料三轴试验柔性薄膜边界的离散元模拟方法，可准确模拟粮食散料在三轴试验过程中的形态变化，应力应变关系情况，能为粮食散料的力学特性和破坏形态的研究提供有力支撑。

2、为解决上述技术问题，本发明通过以下技术方案来实现：

3、一种粮食散料三轴试验柔性薄膜边界的离散元模拟方法，包括：

4、步骤s1：通过基本物理性质试验和室内三轴试验获取小麦颗粒的基本物理特性参数和宏观力学参数；

5、步骤s2：小麦颗粒的建模；

6、步骤s3：建立三轴数值模型，使小麦颗粒均匀分布于边界之内；

7、步骤s4：采用离散-连续（pfc-flac）耦合的方法建立柔性薄膜；

8、步骤s5：利用伺服系统对试样施加围压至预定应力状态，再以上下刚性加载板施加轴向荷载；

9、步骤s6：通过与室内试验结果对比，进行参数反演得到小麦颗粒细观力学参数，并对比应力-应变曲线、破坏特征等，验证此建模方法的可靠性。

10、进一步，所述步骤s1具体为：对小麦进行尺寸测量筛选，测量小麦的含水率和相对密度基本物理量；室内静三轴实验所用的仪器为tka-tts系列全自动应变控制静三轴仪，由轴向加载系统、压力室及其附属系统、量测系统组成；所述的宏观力学参数包括小麦试样的粘聚力和内摩擦角。

11、进一步，所述步骤s2中小麦颗粒模型建立的具体步骤为：

12、步骤s201：颗粒几何模型的建立：通过rhion7软件按照颗粒实际颗粒的平均粒长、粒宽和粒厚建立颗粒试样几何模型。

13、步骤s202：clump边界面的建立：将颗粒几何模型文件（dxf/stl文件）导入pfc3d中作为clump的边界面，并在内部生成刚性连接的pebble。

14、步骤s203：惯性参数（体积、惯性矢量）的确定：通过pfc3d内置bubblepack算法，用pebble将clump边界面内的空间按照目标状态填充。为了平衡计算效率和计算精度，小麦颗粒常采用5球模型。

15、进一步，所述步骤s3的小麦颗粒三轴数值模型的具体建模过程如下：

16、步骤301：边界的建立：边界主要由环向的柔性薄膜和端部的刚性加载板组成；边界的大小会影响到数值模拟的运行时间和准确度。小麦试样粒径较小，按照实际试样尺寸来生成颗粒试样的边界。

17、步骤302：小麦颗粒试样的生成，依据公式计算得出球形颗粒等效半径，采用clumpdistribute命令在边界内生成均匀分布的与颗粒等效半径相近的颗粒簇，当达到目标孔隙率时，该过程停止，使颗粒均匀分布于边界之内。

18、步骤303：柔性薄膜的建立，通过在pfc3d6.0软件内加载flac3d7.0模块，建立四个1/4圆构造一个圆，然后通过extrude方法将圆拉伸为一个封闭的圆柱；用flac模型中的shell模块与刚性圆筒耦合，使墙体节点与结构单元可以同步运动。

19、进一步，离散-连续（pfc-flac）耦合的方法具体为：自pfc3d6.0以来，flac3d可以以插件的形式运行在pfc3d的环境中，通过连续-非连续介质间的耦合边界进行数据交换，实现彼此嵌入式的平台整合。为了更好的反映室内三轴试验中橡皮膜的特性，使用结构单元（壳 shell）与pfc颗粒（ball）耦合分析方法。此种耦合方法的原理是在发生耦合作用的flac模型表面上设置pfc中模型组件墙单元（wall），并以此作为用于耦合变量交换传递的媒介。

20、进一步，所述步骤s5中，利用伺服系统对试样施加围压至预定应力状态，再以上下刚性加载板施加轴向荷载，当轴向应变达到15%时停止加载。其中：伺服是通过模型边界条件的调整，使得颗粒体系间的接触尽可能快的达到理想状态，然后在其基础上进行分析，可以保证模型在加载过程中围压的稳定。

21、进一步，所述步骤s6中的细观力学参数包括法向与切向刚度比、颗粒间摩擦系数和有效模量。

22、本发明与现有技术相比，本发明的有益效果在于：（1）采用柔性薄膜边界离散元数值模拟方法，能准确捕捉粮食散料在三轴试验加载变形过程中形态变化，全面地模拟散料从完整到失效的损伤过程和破坏模式，同时可以从细观变化到宏观响应对粮食散料进行多尺度研究，可以较为真实的模拟粮食散料的力学行为。（2）薄膜在大变形过程中也能确保稳定和准确地加载静水围压。因此，本发明是采用一种优点明显且简单实用的柔性薄膜边界模拟方法，可以准确模拟粮食散料在三轴试验过程中的形态变化，应力应变关系情况，为粮食散料的力学特性和破坏形态的研究提供了有力的支撑。

技术特征：

1.一种粮食散料三轴试验柔性薄膜边界的离散元模拟方法，其特征在于，包括：

2.根据权利要求1所述的一种粮食散料三轴试验柔性薄膜边界的离散元模拟方法，其特征在于，所述步骤s1具体为：对小麦颗粒进行尺寸测量筛选，测量小麦颗粒的含水率和相对密度基本物理量；室内静三轴实验所用的仪器为tka-tts系列全自动应变控制静三轴仪，由轴向加载系统、压力室及其附属系统、量测系统组成；所述的宏观力学参数包括小麦颗粒的粘聚力和内摩擦角。

3.根据权利要求1所述的一种粮食散料三轴试验柔性薄膜边界的离散元模拟方法，其特征在于，所述步骤s2具体包括：

4.根据权利要求1所述的一种粮食散料三轴试验柔性薄膜边界的离散元模拟方法，其特征在于，所述步骤s3具体包括：

5.根据权利要求1所述的一种粮食散料三轴试验柔性薄膜边界的离散元模拟方法，其特征在于，所述步骤s4的离散-连续（pfc-flac）耦合的方法具体为：自pfc3d6.0以来，flac3d可以以插件的形式运行在pfc3d的环境中，通过连续-非连续介质间的耦合边界进行数据交换，实现彼此嵌入式的平台整合。为了更好的反映室内三轴试验中橡皮膜的特性，使用结构单元（壳 shell）与pfc颗粒（ball）耦合分析方法。此种耦合方法的原理是在发生耦合作用的flac模型表面上设置pfc中模型组件墙单元（wall），并以此作为用于耦合变量交换传递的媒介。

6.根据权利要求1所述的一种粮食散料三轴试验柔性薄膜边界的离散元模拟方法，其特征在于，所述步骤s5中的伺服是通过模型边界条件的调整，使得颗粒体系间的接触尽可能快的达到理想状态，然后在其基础上进行分析，可以保证模型在加载过程中围压的稳定。

7.根据权利要求1所述的一种粮食散料三轴试验柔性薄膜边界的离散元模拟方法，其特征在于，所述步骤s6中的细观力学参数包括法向与切向刚度比、颗粒间摩擦系数和有效模量。

技术总结本发明提出了一种粮食散料三轴试验柔性薄膜边界的离散元模拟方法，涉及粮食散料力学特性分析和三轴试验数值模拟技术领域。具体步骤为：S1、通过基本物理性质试验和室内三轴试验获取小麦颗粒的基本物理特性参数和宏观力学参数；S2、小麦颗粒的建模；S3、建立三轴数值模型，使小麦颗粒均匀分布于边界之内；S4、采用离散‑连续（PFC‑FLAC）耦合的方法建立柔性薄膜；S5、利用伺服系统对试样施加围压至预定应力状态，再以上下刚性加载板施加轴向荷载；S6、通过与室内试验结果对比，进行参数反演得到小麦颗粒细观力学参数，并对比应力‑应变曲线、破坏特征等，验证此建模方法的可靠性。本发明能准确的模拟粮食散料在三轴试验过程中的力学行为及破坏特征。技术研发人员：静行,郭旭,刘星月,刘旭受保护的技术使用者：河南工业大学技术研发日：技术公布日：2024/7/29