土壤直剪试验的动力学仿真

2011年7月农业机械学报第42卷第7期土壤直剪试验的动力学仿真杨望1蔡敢为2杨坚2(1.广西大学土木建筑工程学院,南宁530004;2.广西大学机械工程学院,南宁530004)【摘要】采用 ANSYS/LS-DYNA仿真软件,利用 Lagrange和SPH相结合的方法及修正的Mohr- Coulomb屈服准则,建立土壤直剪系统可视化仿真模型,进行4种土壤直剪动力学仿真试验,通过回归分析建立了土壤剪切强度与剪切速度的数学模型,研究了土壤剪切破坏过程及剪切速度对剪切强度的影响规律及机理。结果表明,土壤剪切速度大,剪切强度大,剪切模量小时,剪切强度与剪切速度呈三次方关系,剪切模量大时,剪切强度与剪切速度成对数关系;土壤剪切模量对剪切强度影响大,剪切模量大,剪切强度大关键词:土壤直剪剪切强度剪切速度机理动力学仿真中图分类号:S152.9文献标识码:A文章编号:1000-1298(2011)0700906Dynamics Simulation of Direct Shear TestYang Wang Cai GanweiYa(1. College of Civil Engineering and Architecture, Guangxi University, Nanning 530004, China2. College of Mechanical Engineering, Guangxi University, Nanning 530004, China)AbstractThe direct shear system dynamics simulation model was developed on the basis of theMohr-Coulomb yield criterion by using ANSYS/LS-DYNA and a combination of lagrarsmoothed particle hydrodynamics( SPH). The dynamics simulation experiments of direct shekinds of soil have been carried out. The mathematic models of soil shear strength and shearing speed wereestablished by regression analysis. The research on soil shear failure process and the influence law andmechanism of shearing speed on shear strength was done. The results showed that with shearing speecincreasing, shear strength increased. Third-order relationship exits between shear strength and shearingspeed with small shear modulus. Logarithm relationship exits between shear strength and shearing speedwith large shear modulus. The effect of shear modulus on shear strength is large. The large shear strengthis with large shear modulusKey words Soil, Direct shear, Shear strength, Shearing speed, Mechanism, Dynamics simulation引言采用 ANSYS/LS-DYNA显式动力学仿真软件建立直剪试验动力学可视化仿真模型,进行动力学仿真剪切速度对土壤剪切强度的影响一直是土壤耕在细观上研究土壤直剪断裂机理,以期为挖拔式块作机被硏究的热点,国内外对其在宏观尺度上进行根拔起速度模型的研究、木薯收获机械和其他土壤了较多的研究,得到了一些相关的数学模型及结耕作机械的设计提供参考。论口,但采用动力学可视化仿真技术,在微观上研究土壤直剪断裂的动力学过程及对影响剪切强度的1土壤直剪仿真模型速度因素进行研究鲜见报道。为探明直剪断裂的动1.1几何模型力学过程及剪切速度对剪切强度的影响机理,本文根据陌和亦扩制式直剪仪工作原中国煤化工收稿日期:2010-10-22修回日期:2010-12-15CNMHG·国家自然科学基金资助项目(51065003)和广西科技创新能力与条件建设项目(y-007-055015)作者简介:杨望,博士生,主要从事甘蔗和木薯收获机械动力学仿真及性能优化研究,E-mail:yanghe@163.com通讯作者:杨坚,教授,主要从事农业机械设计及性能优化研究,E-mlil:yangokok@gxu,edu.cn第7期杨望等:土壤直剪试验的动力学仿真理,为了减少仿真计算时间,对直剪仿真试验装置进没有网格畸变,能有效处理大变形问题,模拟连续体行简化,其结构简图如图1所示。建模时,取土壤长结构的破碎、固体的层裂和脆性断裂等现象。SPH100m,宽10mm,高200mm,上、下盒高度均为的基础是插值理论,在SPH中任一宏观变量(如密100mm,盒壁厚取10mm,为了与土壤耕作条件相度、压力和温度等)能方便地借助于一组无序点上近,上盒不封顶。的值表示成积分插值计算得到,各质点相互作用借助插值函数来描述,利用插值函数给出量场在一点处的核心估计值,将连续介质力学的守恒定律由微分方程形式转换成积分形式,进而转换成求和。SPH方法中,质点近似函数定义为mx)=()W(x-y,h)y(2)图1直剪仿真试验装置结构简图其中W(x,h)=、h"(x)Fig 1 Structural diagram of direct shear test1.上盒2.土壤3.下盒式中n—空间维数a(x)——辅助函数h——光滑长度,随时间和空间变化1.2材料模型W(x,h)是尖峰函数,如图2所示。SPH中最常用的土壤模型:参照文献[8],本文采用MAT147光滑核是三次B样条,定义为MAT_FHWA_SOIL)作为土壤材料模型,该模型考虑了应变率效应、孔隙比及孔隙水压力的影响,其服32+3n(lal≤1)从修正的Mhr- Coulomb屈服准则,修正后Mohra(a)=C×{1Coulomb屈服表面表达式为(1