面向环境力学离散元研究软件研发与工程应用

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1、面向环境力学离散元研究软件研发与工程应用　　摘要：离散元计算分析软件对解决环境力学中的离散介质问题有至关重要的作用.针对环境灾害中的非规则颗粒单元，以圆球颗粒为基本单元，分别构造镶嵌组合单元、黏结组合单元、扩展圆盘单元和扩展多面体单元等，并在此基础上开发基于球形颗粒离散元方法的分析软件（SoftwareofSphericalParticlebasedDiscreteElementMethod，SDEM）.该软件可模拟碎冰、岩石和道砟等颗粒材料的力学行为，能直观展现这些力学过程的发生、发展和演化；基于GPU的并行计算实现离散元大规模计

2、算的高效性.对SDEM软件在地质灾害、工程海冰和铁路道床等领域的应用进行介绍.关键词：离散元方法；环境力学；寒区工程；地质灾害；有砟铁路道床中图分类号：O347.7；TP319文献标志码：B0前言美国学者CUNDALL等[1]在20世纪70年代提出的离散元法（DiscreteElementMethod，DEM）11发展迅速.特别是近年来，随着计算机技术的发展，该方法已广泛地应用于岩土、化工、生物和环境等诸多领域.[23]在DEM的工程应用中，一直伴随着相应软件的不断发展.CUNDALL和STRACK最早研发二维圆盘程序BALL和三维

3、圆球程序TRUBAL.[4]1989年英国Aston大学THORNTON将TRUBAL改进为TRUBALAston版，后定名GRANULE.目前，基于DEM的商业软件主要有美国Itasca公司的PFC2D和PFC3D，英国DEMSolution公司的EDEM.此外，澳大利亚的相关学者也开展出色的工作.在具有独立知识产权的国产软件研发中，吉林大学基于CAD成功解决机械部件与球体颗粒接触作用的仿真过程.[5]北京大学基于DEM的工程计算软件的前后处理系统，以人机交互方式实现建模、数据传输和动画演示等全部过程，并主要应用于冲击、碰撞和断裂

4、等动力学问题中.[6]最近，大连理工大学面向环境力学问题，自行研发出基于球形颗粒离散元方法的分析软件（SoftwareofSphericalParticlebasedDiscreteElementMethod，SDEM）.该软件通过对环境力学领域中相关工程问题的发生机理、演化过程进行数值模拟和动态显示，为理论分析和工程应用提供数值方法和后处理分析技术.此外，基于GPU并行计算的高性能数值算法，实现离散元方法的大规模计算.目前，SDEM已成功应用到工程海冰、地质灾害和铁路道床等环境力学领域.1SDEM中离散单元的构造11在自然条件下，

5、铁路道砟、浮冰和块石等散体材料都以非规则形态存在.为此，在SDEM中通过黏结、镶嵌和扩展等不同方式进行非规则颗粒构造，以精确描述颗粒几何形态.1.1镶嵌式组合颗粒单元针对岩土材料中块石颗粒的非规则性，可采用具有镶嵌模式的组合颗粒单元进行构造.该组合颗粒由不同粒径的球形颗粒按一定组合方式构成，见图1.对于该组合颗粒的质量、质心和转动惯量采用有限分割法确定，并通过四元数方法进行组合颗粒的动力学分量在整体坐标和局部坐标下的转换.[7]采用镶嵌式组合单元可以根据设定的颗粒形态进行任意组合，应用简便.1.2黏结式组合颗粒单元对于可破碎的非规则

6、颗粒单元，可以通过球形颗粒黏结的模式进行构造，见图2.该非规则单元可在一定作用力下按一定的破坏准则发生破碎.单元间的黏结方式可采用接触黏结或平行黏结.[4]在模拟岩石材料的破碎特性时，一般采用平行黏结方式，通过黏结球体单元间的作用力和力矩，确定其法向应力和切向应力.采用该平行黏结模式不仅可以构造非规则颗粒单元，而且可以对连续体材料的破坏过程进行模拟.[89]1.3扩展多面体单元11扩展多面体单元具有计算简便、精度高的特点，可精确描述自然环境下颗粒材料的几何形态.[1011]在一个基础多面体模型的表面设置若干个等粒径的球体颗粒，所有球

7、体颗粒的球心位于基础多面体的表面.采用该扩展模型可将空间上的一个点扩展为一个球体，将一条线段扩展为一个圆柱及柱端的两个半球体，将任一平面扩展为由圆柱体包络的具有一定厚度的板，将任一多面体扩展为具有光滑棱边及棱角的多面体.采用扩展多面体模型构造的块石颗粒见图3.类似于扩展多面体单元，还可构造扩展圆盘单元：首先对所需要构造的圆形单元进行函数定义，然后采用无限多个球型颗粒对其填充，以构造出所设定单元形态，见图4.由此，圆盘单元间的相互作用转变为球体单元的接触判断和作用力计算.为便于离散元方法在环境力学领域的应用，需要研发操作简易、应用灵活

8、的前后处理系统.SDEM可显示散体材料内部力链的分布，直观地展现结构体与颗粒以及颗粒之间的接触状态.2SDEM在环境力学中的应用目前，SDEM已应用于工程海冰、铁路道床和地质灾害等不同研究领域.2.1SDEM在工程海冰中的应用2.1.