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申请/专利权人：东北大学

摘要：本发明公布一种基于颗粒流描述可燃冰沉积物胶结接触的模型构建流程和方法,其具体步骤如下：1C++编程后生成含可燃冰土的改进胶结接触模型DLL文件；2定义土颗粒柔性膜颗粒和胶结,建立基于I‑PB接触模型的含可燃冰土离散元数值试样；3进行柔性双轴剪切试验；4标定含可燃冰土数值模型细观参数；本发明能够解决模拟含可燃冰土的细观力学特性不够清晰的技术问题,能考虑到线性平行胶结接触模型由于压缩引起的胶结破坏以及破坏后可燃冰对土体颗粒的残余约束,能极大提高模拟含可燃冰土在外部荷载条件下的宏细观力学响应的准确度。

主权项：1.一种基于颗粒流描述可燃冰沉积物胶结接触的模型构建流程和方法,其特征在于,具体包括如下步骤:1采用在PFC2D6.0版本软件中的可由用户自行编辑的项目模板ProjectTemplate,在指定的配置环境里Qt5.12+MSVS2017通过C++语言编写插件Plugins建立由平行胶结部分和反映土颗粒接触特性的滚动阻力部分组成的I-PB接触模型,编写的C++插件由项目模板编译为动态链接库文件,与PFC实现接口进行计算:1.1编写力-位移准则:I-PB接触模型由平行胶结部分和反映土颗粒接触特性的滚动阻力部分组成,颗粒间胶结完好的I-PB接触模型总接触力Fc和力矩Mc主要由线性接触力F1、胶结接触力Fb、阻尼接触力Fd、胶结接触力矩Mb和滚动阻力矩Mr组成,其表达式如下:Fc＝Fl+Fd+FbMc＝Mr+Mb线性接触力F1由法向线性接触力与切向线性接触力组成: 式中:为法向接触力的值,N；为切向接触力的值,N；nc与tc分别为单位法向向量与单位切向向量； 和分别通过全量和增量更新模式计算,其表达式如下: 式中:kn与ks分别为法向接触刚度,N·m-1与切向接触刚度,N·m-1；un为接触颗粒重叠量,m；为每一时步开始时的线性切向接触力,N；Δus为接触颗粒间相对切向位移增量,m；μ为摩擦系数；接触颗粒间的滚动阻力矩计算如下: 式中:Mr0为每一时步开始时的滚动阻力矩,N·m；kr为滚动阻力刚度,N·m,计算式为:其中,接触颗粒间接触有效半径,m；Δθr为接触颗粒间相对转动增量；M*为最大阻力值,计算式为:其中,μr为滚动阻力系数；接触有效半径可由下式计算: 式中,R1和R2为两颗粒接触的半径,m；胶结接触力由法向胶结接触力与切向胶结接触力组成: 式中,与分别为胶结法向接触力与胶结切向接触力的值,N,其迭代式如下: 式中,与分别为法向与切向胶结刚度,N·m-3；Ab胶结截面积,m2,其计算式为:Ab＝Bb·t,式中,Bb为胶结宽度,m；t为单位厚度,为胶结生成时两颗粒间的初始重叠量,m；胶结力矩的迭代式如下: 式中:Ib为胶结截面惯性矩,m4,其计算式为:Ib＝t·Bb312；1.2可燃冰胶结拉-压-剪复合失效准则:所提出的I-PB接触模型包含三种可燃冰胶结失效模式:法向的拉伸压缩失效和切向的剪切失效；可燃冰胶结拉-压-剪复合失效准则计算如下: 式中,与为胶结受拉端与受压端的法向应力,Pa；τb为胶结切向应力,Pa；βb为胶结力矩因子默认值为1；和分别为胶结抗拉、抗压与抗剪强度,Pa；cb与分解为胶结黏聚力,Pa与内摩擦角,°；胶结失效后,胶结残余力与力矩的计算方法: 式中,λ为残余胶结抗压强度因子；为胶结残余临界剪切力,N,其计算式算为:为胶结表面摩擦系数；胶结残余临界力矩,N·m,其计算式为:为转动方向的单位向量；1.3可燃冰饱和度计算方法可燃冰饱和度可由胶结形成时的初始颗粒间距与临界间距决定,其具体计算方法如下: 式中:Amh为胶结面积之和,m2,计算式为:其中,Amh,i为一个胶结接触的面积,m2；m为胶结接触总数量；Av为孔隙面积,m2；Amh,i的计算方法如下: 其中,胶结宽度由计算得出: 在DEM模拟中,当采用刚性颗粒时,颗粒间重叠量较小,因此,当计算时,颗粒间接触简化为分离与接触两种模式: 与PFC2D6.0实现接口,进行迭代求解；2基于I-PB接触模型建立含可燃冰土离散元数值试样:2.1在由墙体单元wall组成的容器中生成指定密度与初始孔隙率的土颗粒,土颗粒与土颗粒间和土颗粒与墙体单元间均设置为线性接触模型linearcontactmodel,计算至平衡后,通过伺服机制由墙体单元对数值试样施加初始固结压力；2.2用竖向柔性膜颗粒边界替换竖向墙体:用竖向柔性膜颗粒边界替换竖向墙体,以模拟室内试验中采用液体介质通过橡胶模对含可燃冰土试样施加围压,使离散元模拟所得的数值试样变形特性与剪切带发展特征与室内试验相近,通过向每一个柔性膜颗粒段施加垂直等效力Fc,并传递至试样,以实现围压的施加,Fc的x与y方向的分量Fx和Fy计算如下:Fx＝0.5l12cosα+l23cosβFcFy＝0.5l12sinα+l23sinβFc柔性膜颗粒间设置线性接触胶结接触模型,柔性膜颗粒与土颗粒间设置线性接触模型,设置膜颗粒间的胶结强度,柔性膜颗粒边界替换完成后,保持围压值不变并计算值平衡；2.3将土颗粒间设置为I-PB接触模型以模拟可燃冰胶结作用,基于目标饱和度赋予临界胶结宽度,土颗粒与膜颗粒及墙体单元间仍为线性接触模型；将土颗粒间设置为I-PB接触模型以模拟可燃冰胶结作用,基于目标饱和度赋予临界胶结宽度土颗粒与膜颗粒及墙体单元间仍为线性接触模型； 3柔性双轴剪切试验:试样制备完成后,通过上下部墙体以及柔性膜颗粒边界对试样施加各向同性固结,通过伺服控制向试样施加竖向压力σy,通过对膜颗粒施加等效力对试样施加横向压力σx,为保证膜颗粒两侧处于力平衡状态,等效力保持较小的增量进行施加,当水平与竖向压力达到目标值,且试样计算至平衡,各项同性固结完成；通过应变控制在各项同性固结完成后开展双轴剪切试验,上部墙体以一定的轴向应变率向下移动以保证剪切全程为准静态过程,同时下部墙体保持不动,剪切过程中,通过不断调整施加在柔性膜颗粒上的等效力以保持恒定的围压,对轴向应力应变、体积应变、颗粒位移转角、胶结状态等宏细观试验数据进行监测以供分析；4细观参数标定:采用双轴剪切结合试错法标定含可燃冰土数值模型细观参数,设置围压,标定不含可燃冰土试样纯土试样颗粒间的线性滚动阻力接触模型rrlinear参数。

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