Revisione delle strategie di calibrazione per il modello ad elementi discreti in quasi

Rapporti scientifici volume 13, numero articolo: 13264 (2023) Citare questo articolo

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Questo studio ha innanzitutto esaminato le teorie della risposta meccanica delle strutture sotto carico e il metodo degli elementi discreti fornisce un percorso per studiare la risposta meccanica, inclusa la deformazione elastica e il cedimento della struttura. Tuttavia, l’acquisizione diretta dei parametri microscopici dalle equazioni governanti del metodo degli elementi discreti tramite esperimenti incontra delle sfide. Una possibile strategia per ottenere questi parametri microscopici è la calibrazione dei parametri ampiamente utilizzati dai ricercatori. In secondo luogo, vengono riassunte le equazioni che governano e il criterio di fallimento del metodo degli elementi discreti e vengono individuati i parametri microscopici che verrebbero calibrati. Successivamente, i principi dei metodi di calibrazione classici del metodo degli elementi discreti vengono spiegati in dettaglio, insieme alla validazione e alla discussione delle loro proprietà. Infine, questo studio ha esaminato l'applicabilità dei parametri calibrati e sottolinea che il rapporto dimensionale, la porosità, il raggio massimo e il raggio minimo delle particelle dovrebbero essere identici sia nel modello di calibrazione geometrica che in quello delle applicazioni.

Quando una forza esterna viene applicata a un sistema strutturale, si verificano risposte meccaniche. La meccanica classica del continuo è comunemente impiegata nello studio di queste risposte meccaniche, con le equazioni governative che coinvolgono equazioni alle derivate parziali. Tuttavia, quando la meccanica classica del continuo incontra fratture, si trova ad affrontare difficoltà dovute all'inesistenza di derivate nelle discontinuità1 (ad esempio, frattura).

I ricercatori hanno proposto vari metodi per affrontare i problemi legati alla frattura, tra cui la teoria del campo di fase2, il metodo degli elementi finiti estesi3,4, la peridinamica1 e il metodo degli elementi discreti5. La teoria del campo di fase per le fratture utilizza una funzione di danno continuo per approssimare la presenza di superfici di discontinuità libere6,7. Tuttavia, va notato che la tecnologia della frattura del campo di fase descrive esclusivamente la progressione del danno altamente localizzato e non la nucleazione e la propagazione delle discontinuità. Pertanto, è fondamentalmente una tecnologia continua basata sul campo. Il metodo degli elementi finiti estesi (XFEM) è un metodo numerico che aggiunge una funzione in grado di riflettere le discontinuità alla funzione di spostamento del tradizionale metodo degli elementi finiti. Il metodo utilizza il metodo level set per tracciare dinamicamente i cambiamenti dell'interfaccia, consentendo la risoluzione di vari tipi di discontinuità, come crepe, buchi e inclusioni8. Tuttavia, XFEM potrebbe incontrare difficoltà quando si ha a che fare con la ramificazione delle crack. La peridinamica, invece di fare affidamento sulle tradizionali equazioni differenziali, impiega equazioni integrali per evitare la singolarità all'estremità delle cricche1. La peridinamica presenta enormi vantaggi nella risoluzione di problemi non continui come la frattura9,10. Tuttavia, nella peridinamica possono sorgere problemi di riduzione della rigidità attorno ai confini del materiale. Il DEM considera i materiali come mezzi discreti, dove ogni blocco o particella si muove secondo la seconda legge di Newton5. Possono simulare lo spostamento, la rotazione, lo scorrimento e persino la separazione. DEM può simulare in modo realistico e intuitivo fratture e altri fenomeni di grande deformazione. La frattura dei sistemi sfusi costituiti da particelle inizia dalla separazione delle particelle. La scomparsa della forza tra due particelle significa l'insorgere di una fessura. Con decenni di sviluppo, il DEM è stato ampiamente applicato in vari campi come l'ingegneria geotecnica11,12,13,14,15,16, l'estrazione mineraria17,18,19,20 e l'agricoltura21,22,23,24,25. Di conseguenza, sono stati sviluppati diversi pacchetti software DEM26,27,28,29.

Prima di condurre simulazioni tramite DEM, è essenziale determinare i parametri dei materiali coinvolti nel modello. Nella meccanica classica del continuo, parametri materiali come il modulo di Young e il rapporto di Poisson possono essere determinati attraverso esperimenti. Tuttavia, i parametri del DEM devono essere specificati a livello microscopico, come la rigidità del contatto normale e la rigidità del contatto tangenziale che sono chiamati parametri microscopici. Questi parametri microscopici sono diversi dai parametri macroscopici. Ha difficoltà a misurare sperimentalmente30. Attualmente, il metodo per determinare i parametri microscopici nel DEM è la calibrazione dei parametri. È interessante notare che questo studio si concentra sulla deformazione elastica della struttura solida che si presume sia composta da milioni di particelle sotto carico quasi statico. Lo studio della deformazione elastica si basa principalmente sui principi della teoria dell'elasticità mentre i sistemi dinamici di particelle si basano su altra meccanica (ad esempio meccanica teorica)31,32,33,34,35,36,37,38. Di conseguenza, i parametri chiave e i metodi di calibrazione differiscono significativamente tra la struttura elastica e i sistemi particellari dinamici. Ad esempio, la densità delle particelle viene misurata utilizzando un picnometro a gas e il coefficiente di attrito radente viene determinato attraverso il test di attrito radente nei sistemi dinamici di particolato31,32. La deformazione linearmente elastica impiega equazioni costitutive dell'elasticità lineare. I parametri macroscopici fondamentali nell'elasticità lineare sono il modulo di Young e il rapporto di Poisson. Questi parametri macroscopici hanno una grande influenza sulla deformazione della struttura39. Nel contesto dell'elasticità lineare, questi parametri macroscopici corrispondono ai parametri microscopici del modello ad elementi discreti, vale a dire il modulo efficace e il rapporto di rigidezza.