数值模拟：离散元方法改进和试样生成

本书在离散元数值模拟方面的主要成果是提出了一种模拟实验室薄膜围压控制的计算方法，另外还提出了一种均匀试样的生成方法，提高了离散元数值模拟的真实性和准确性。

1）边界压力对试样的应力—应变—强度—体积变化特性以及试样细观特性有重要影响。刚性墙边界、循环周期边界和柔性边界是离散元模拟中最常用的三种边界条件模拟方法。刚性墙边界对直剪试验非常合适，但它无法模拟室内试验中常用的薄膜边界条件。循环周期边界能很好地降低薄膜边界模拟中边界面的影响，但无法捕捉试样在边界处的变形。用一系列粘结成串的颗粒组成的柔性边界可以较好地模拟薄膜为平面的平面应变试验，所以对平面应变试验比较适用。但对于三轴压缩试验，薄膜为圆柱形，试样为鼓胀变形破坏，变形时圆柱薄膜部分直径会增加，如果采用柔性边界，在变形破坏时需要在环向增加颗粒，这在数值模拟中较难实现，所以对三轴压缩试验，柔性边界不太适用。因为离散元模拟中墙与墙之间没有相互作用，本书提出一种新的薄膜边界模拟方法——堆叠平面墙法和堆叠圆柱墙法，分别用来模拟平面应变试验和三轴压缩试验中的薄膜。堆叠墙中的每个单元墙能独立变形和运动，通过数值伺服机制控制边界墙的速度来施加一定的围压。堆叠墙法模拟薄膜既具有柔性边界的优点，又可以捕捉试样边界处的变形，从而可以更好地分析应变局部化，同时薄膜边界对试样的影响较小。另外，相较于采用颗粒串模拟的柔性边界，因为薄膜边界没有采用颗粒模拟，计算颗粒数减少，计算效率较高。(www.xing528.com)

2）在采用数值模拟对天然土体进行模拟时，为保证数值模型的宏、细观性质与天然材料一致，数值模型试样的初始均匀性非常重要。以前的方法通过在给定的空间内的任意位置生成任意方向颗粒来保证试样的均匀，但是研究发现，常用的颗粒生成方法生成的试样的均匀性都不够好。比如三轴压缩试样的水平剖面是一个圆，所以在这个圆平面上颗粒方向分布和接触方向分布应该是各向同性的。但是研究结果发现，以前的方法生成的试样在边界处并不够均匀。本书提出了一种新的随机坐标算法，在生成一个新颗粒时，交替采用新的算法计算x、y坐标值。通过该方法，生成的试样更加均匀，比如三轴压缩试样水平面上的颗粒方向和接触方向分布各向同性程度更高。