离散元法及其应用简介

Yuanqiang Tan, Hao Zhang, Dongmin Yang et al. Numerical simulation of concrete pumping process and investigation of wear mechanism of the piping wall. Tribology International, 2011 (In Press).
– Damage occurs by bond breakages.
PFC、BPM
PFC (Particle Flow Code): 直接模拟圆形颗粒的运动及相互作用，有二维和三维 的离散元程序PFC2D/3D，可以用来散体颗粒及块体的力学行为。 BPM (Bonded Particle Model)：通过键连接的方式将颗粒与其相邻的颗粒粘结 在一起形成任意形状的组合体来模拟块体材料；颗粒之间接触点处的键可以承受 外载荷，当所受载荷超过连接键的强度时，键发生断裂；能自然的处理裂纹的产 生和扩展。
模拟残余应力
v＝10m/s、ap＝5μm
v＝5m/s、ap＝15μm
v＝10m/s、ap＝10μm
v＝10m/s、ap＝15μm
v＝10m/s、ap＝15μm 不同切削深度下的残余应力云图
v＝15m/s、ap＝15μm 不同切削速度下的残余应力云图
混凝土泵送
在混凝土工程施工过程中，混凝土的运输和浇筑是一项繁重、关键性的
模拟断裂与损伤
研究意义：利用离散元的方法来模拟碳化硅陶瓷的加工过程，以定量的来描述裂纹 的产生与扩展，为实际加工提供参考依据。
不同切削速度下的切削深度VS裂纹数目
不同切削速度下的切削深度VS最大裂纹数目
模拟断裂与损伤
不同刀具前角下的材料深度VS累 积裂纹数目
不同切削速度下的材料深度 VS累积裂纹数目
脆性 良好的热稳定性
抗压强度高
陶瓷
良好的抗腐蚀性
密度比金属低
硬度高
问题的提出：陶瓷的硬脆性给加工带来极大的困难，其材料去除机理仍然不是很清楚 已有研究方法：压痕断裂力学、有限元、分子动力学以及连续损失模型等 本文的方法：通过离散元的方法来模拟材料的去除过程，揭示其加工机理
模拟加工裂纹
DEM模拟与实验对比
如何校准？ 无直接理论
微观参数 颗粒大小 颗粒刚度 摩擦系数 键的大小 键的刚度 键的强度
试验校准
宏观参数 弹性模量
单轴压缩试验 巴西试验 三点弯曲试验 单边切口梁试验
泊松比 抗压强度 弯曲强度 断裂韧性 …
陶瓷材料DEM模型的校准
单轴压缩试验
巴西试验
三点弯曲试验
单边切口梁试验
模拟加工裂纹
研究背景
离散元法及其应用简介
姜胜强 湘潭大学 2011/07/27
主要内容
离散元法及PFC简介 PFC在陶瓷、复合材料及混凝土等领域的应用
离散元法简介
20世纪70年代由Cundall首先提出，起源于分子动力学，最初用于岩石力学的研究。
Cundall, P. A., and O. D. L. Strack. “A Discrete Numerical Model for Granular Assemblies,” Géotechnique, 29, 47-65 (1979).
SEM experimental observation of microbond test
单向加压
双向加压
两种加压方式下压制过程中模型示意图
单向加压时ZnO素坯样品层裂图
加压方式对功能陶瓷成型过程的影响
单 向 加 压
双 向 加 压
两种加压方式下样品烧结后断面SEM图
陶瓷材料干压成型工艺参数优化
0.16 0.14 0.12
Lower Middle Upper
Porosity
0.10 0.08 0.06 0.04 0.02
Fluided bed (Yutaka Tsuji)
Particle Transport in Electrostatic Traveling Wave (Hiroyuki Kawamoto)
陶瓷材料二维BPM模型的建立
生成颗粒
颗粒位置重排
删除“浮点”颗粒
Cluster模型
BPM模型
陶瓷材料DEM模型的校准
-200
15
Sx (MPa)
10
-190
5
-185
-180 0.00
0 0.01 0.02 0.03 0.04 0.05 0.06 0.07 0.08 0.09
Y Position (mm)
Y Position (mm)
成型后离散元模型中压制方向应力分布
成型后模型内大粒径颗粒分布情况
邹霞, 李国荣, 谭援强, 等. 重力对功能陶瓷材料压制过程影响的离散元模拟, 无机材料 学报, 2010, 25(10): 1071-1075.
50
100
150
200
250
Pressure/MPa
干压成型的压实过程模拟
0.14 0.12
0.12
坯体孔隙率随压力的变化曲线
0.16 0.14
Pressure =200MPa Pressure =100MPa
Porosity
0.10
Porosity
0.10 0.08 0.06
0.08 0.06 0.04 0 1 2 3 4 5
0.04
0.1
0.2
0.3
0.4
0.5
0.6
0.7
0.8
Compression speed(mm/s)
Friction coefficient
坯体孔隙率随加压速度的变化曲线
摩擦系数对坯体孔隙率的影响
复合材料断裂失效模拟
Laminated composites
复合材料断裂失效模拟
DEM simulation of microbond test at different vise angle
加压方式对陶瓷压实成型的影响
18 16 14
Single axial compression Tow-axial compression
Stress(MPa)
12 10 8 6 4 2 0.000 0.005 0.010 0.015 0.020 0.025
Y Position(mm)
两种加压方式下成型后模型 压制方向应力分布
Fc: Ball to Wall with pressure 200MPa Fc: Ball to Wall with pressure 100MPa Fc: Ball to Ball with pressure 200MPa Fc: Ball to Ball with pressure 100MPa
离散元法简介
离散元法简介
Particle Flow Code (PFC)
• Simulates the dynamic response of particle-based systems via the distinct-element method.
– Fundamental particle is circular or spherical, but complex “grains” produced by bonding particles. • Solid materials (such as rock): – bonded particle assembly (grains and cement) • Granular materials (such as powders): – particle assembly (grains, no cement) particle bond
模拟残余应力
陶瓷材料进行表面机械加工时，刀具与陶瓷表面的接触作用造成的加工损伤 主要体现在表面/亚表面裂纹及表面残余应力 。 如何正确的预测陶瓷零件磨削表面残余应力，优化切削过程，提高加工表面质 量，使陶瓷零件在高新技术领域得到更广泛的应用有着重要意义。
刀具前角、切削速度、切削深度对残余应力分布的影响 姜胜强,谭援强, 杨冬民等. 碳化硅单点金刚石超精密切削加工残余应力的离散元模 拟，硅酸盐学报，2010, 38（5）：918-923，930.
混凝土泵送
GID建模 区域离散与 网格划分 计算及结果 可视化
建模过程
泵送过程的三维压力分布
典型的泵车弯管破损形式
陶瓷压实成型
重力情况下
-210 -205
微重力情况下
Gravity Microravity
20
Gravity Microgravity
-195
Distribution (%)
0.01 0.02 0.03 0.04 0.05 0.06 0.07 0.08
离散元法简介
离散元法按其单元类型可分为颗粒离散元和块体离散元。颗粒离散元中，颗粒为 刚性的圆盘（2D）与球体（3D），颗粒之间允许位移重叠，以及颗粒的分离。 基于离散元法的商业软件： ITASCA公司的UDEC、PFC及Thornton版 GRANULE
PFC中的计算过程循环图
离散ቤተ መጻሕፍቲ ባይዱ法简介
离散元法简介
BPM模型中的裂纹
离散元法的应用（散体）
铲土
物料流动
搅拌
螺旋传送
鼓式混合机
离散元法的应用（块体）
岩土切削
Grain crushing
颗粒形状对混凝土破碎形态的影响
离散元法的应用（耦合）
Chain Formation in Magnetic Field
Spouted bed (Kawaguchi et al.)
工作。它要求迅速、及时、保证质量和降低劳动消耗。为提高混凝土泵送 施工质量，需在以下方面予以研究：
泵送混凝土原材料和配合比：水、水泥、粗细集料等的合理匹配； 泵送混凝土的拌制和运送：如何保证拌制过程和运送过程物料的均匀 性； 混凝土泵送设备及管道的选择与布置：实现最大输送距离和最大输 出量、减少管壁磨损等；
模拟尺寸效应
研究背景：由于陶瓷材料具有一些列的有点而广泛应用于航天航空、电子、计算机 以及一些微小精密仪器，如微陀螺。但由于其结够尺寸较小，而尺寸效应是脆性材 料或准脆性材料的一个基本特性。
目前已有研究成果： 1.Brzant指出对于材料的强度而言，存在尺寸效应，并提出一些列重要理论； 2.Bao通过实验的方法证明了对于氧化铝陶瓷的弯曲强度而言存在尺寸效应； 2.Zheng应用Brzant的理论研究了混凝土强度的尺寸效应。
Yuanqiang Tan, Dongmin Yang, Y. Sheng. Numerical simulation of polycrystalline SiC brittle cracks and damage in machining based on the discrete element method, Journal of the European Ceramic Society. 2009, 29(6), 1029-1037.
DEM模拟结果
实验结果
DEM模拟结果
实验结果
模拟加工裂纹
氧化铝陶瓷切削过程模拟
模拟加工裂纹
切削力VS裂纹数目
切削的动态过程
模拟加工裂纹
切削深度VS裂纹长度 Tan Yuanqiang, Yang Dongmin, Y.Sheng. Study of polycrystalline Al2O3 machining cracks using discrete element method [J]. International Journal of Machine Tools & Manufacture, 2008, 48 (9): 975-982.
基本思想：把研究对象分离为刚性元素的集合，使每个元素满足牛顿第二定律， 用中心差分的方法求解各元素的运动方程，得到研究对象的整体运动形态。
离散元法
Discrete Element Method
适用于模拟离散颗 粒组合体在准静态 或动态条件下的变 形及破坏过程 优点
岩石、土力学、脆 性材料加工、粉体 压实、散体颗粒输 送等 应用领域
模拟尺寸效应
各力学性能随模型长度的变化关系
模拟尺寸效应
尺寸效应模拟平均值
模拟尺寸效应
应力场强度因子的离散元模拟 Yuanqiang Tan, Shengqiang Jiang, Cai Li, et al. Study on Mechanical Properties and Size effect of Si3N4 using Discrete Element Method. Advanced Materials Research, 2009, 76-78: 719-724. 姜胜强,谭援强,李才等. 单晶硅力学性能及尺寸效应的离散元模拟, 中国机械工程， 2010，21(5): 589-594.