文摘

耕作部件,如深耕犁的设计和性能通常表现为土体的断裂特性在农业工程,从而使改进的土壤耕作工具挑战由于断裂机制不能准确地探索和实施。为了缓解这个问题,在这篇文章中,一个物理三点弯曲测试(图则是裂缝性和碎屑特征进行调查的压实粘土梁(建行)抵消级距的框架下我的代码+二世断裂,和裂纹萌生及其传播的建行是建行的观察和裂缝性机制进行了讨论。同时,也利用两种有限元方法进行数值模拟,即。,the extended finite element method (XFEM) and the combined finite-discrete element method (FDEM), for the CCB under three typical scenarios with notch offset ratiosC= 0,C= 0.375,C分别为= 0.625。的真实性和可用性实验测试和数值模拟都是相应的验证。结果表明:(1)平均峰值负载,终端裂纹点之间的距离和建行的中心线,和平均位移将抵消增加的比率增加,而初始裂纹角将抵消增加的比率下降。(2)初始裂纹将扩展从底部建行的中心而不是弥补缺口的弥补率高于0.717。(3)裂纹扩展及其力学性能(如荷载位移曲线)数值模拟预测的匹配与那些从物理试验获得。

1。介绍

外力引起的土体断裂和破碎是普遍存在于各种农业种植/操作,如耕作过程通过使用模板犁,深耕犁和扫描。改善对耕作设备的设计很大程度上取决于土体的力学性能1,2]。据报道,裂纹萌生及其传播的土壤质量和形成所需的耕作通常依赖于骨折引起的拉伸裂纹的传播3,4]。然而,几何不连续性和各向异性土体断裂过程带来困难的相关研究中,土壤和断裂机制还没有完全显示。因此,调查土壤裂缝的机理具有重要意义优化土壤接触组件的设计,为提高土壤与工具的切削性能以及减少能源消耗方面(5]。

如今,学者们采用了巨大的测试分析和评价土壤的断裂特征。一些先进的技术可以简单地总结和调查;例如,张等人探讨了压实土在单向拉伸的拉伸断裂特征(4]。Aluko等人研究了脆弱的农业土壤的模式我骨折特点通过几个图则测试(6]。的断裂特征进行了压实黏土中使用“测试(7- - - - - -10]。胡锦涛等人研究了拉伸断裂的压实粘土利用实验和模拟案件(11]。此外,Jenq等人研究了混凝土的开裂过程与“测试标本抵消级(12]。郭等人研究了i ii在花岗岩裂纹扩展的代码,和之间的距离越大的结论抵消切口梁底部中心,获得了高峰负荷越大(13]。左等人研究了复杂特征岩石与“测试标本抵消级(14]。

然而,现有的研究主要集中在分析模式我通过“断裂特征和断裂韧性测试关于中央缺口的压实土,这意味着加载方向的外力与预设等级排列的标本。很少被注意土壤时的断裂特征和裂纹扩展梁标本与抵消切口在“试验检查。在实际工程中,土体的断裂行为有显著影响的天然裂缝和等级在大多数情况下,外力的加载方向并不是内衬天然裂缝(12]。因此,探索土壤质量的断裂特征和裂纹扩展的预设等级不是内衬的加载方向外力的断裂机理是至关重要的土壤的混合模式。此外,粘土抵消切口梁的断裂特征很少发现通过图则弯曲测试,从当前引用审查。因此,粘土梁的断裂行为通过图则挠曲测试标本和抵消切口迫切需要研究。

有关quasibrittle断裂行为的复杂机制的材料,如土壤,目前的主流方法研究裂纹扩展行为和内在quasibrittle材料的断裂机理是利用数值模拟方法,如平滑粒子流体动力学(SPH),扩展有限元法(XFEM)和合并后的有限离散单元法(FDEM)。Tran等人模拟裂缝延伸的压实粘土基于图则挠曲测试与几个中央级别使用SPH [15]。刘研究混凝土梁的裂纹萌生和传播基于四点弯曲试验用XFEM [16]。王等人模拟裂缝的出现和发展与XFEM[土质边坡的破坏机理17]。习等人开发了一个数值建模方法抵消取得岩石梁开裂基于非局部扩展有限元法(18]。周等人开发了一个二维中尺度模式的一个具体的样本来研究混凝土的动态拉伸断裂行为使用FDEM [19]。周等人利用FDEM模拟进化的崩落的岩石和研究岩石山坡上的失败机制(20.]。此外,土壤和岩石的断裂和破坏特点利用FDEM报告(21,22]。但压实粘土的断裂特性模拟研究基于XFEM或FDEM仍然不足。先锋研究表明土壤和岩石一样的力学性能,混凝土和其他quasibrittle材料的非线性postpeak软化行为和弹塑性变形特性(4]。因此,模拟/跟踪的初始微裂纹特征和传播行为建行使用XFEM或FDEM在某种程度上是一种可行的技术。特别是,FDEM结合了有限元离散单元法,适用于模拟非线性不连续等材料的裂纹扩展行为的土壤。

通过上面所提到的,土壤类型我骨折的特点主要是通过实验和仿真方法研究相关文献,但很少有实验和仿真比较研究对土壤混合模式I +二世断裂特征。由于独特的土壤质量和机械性能的改善栽培耕作组件的设计和性能的操作,它是重要的去探索我的代码+二世断裂特征和建行的裂纹扩展行为;为了解决上述问题,以下任务摘要和创新点进行了总结:(1)抵消级距的建行标本在不同抵消比率将做好准备;断裂模式和混合模式我+二世建行的考虑和讨论(2)建行的物理“测试标本将进行压裂和裂纹扩展的切口粘土梁与不同的抵消比率将会调查(3)两种数值模拟方法,即XFEM FDEM,将被用来模拟“测试粘土与抵消级距,梁和微程序级压裂和裂纹扩展的力学机制的深入探讨(4)两种数值模拟方法的适用性研究几种典型的建行的裂纹扩展行为抵消等级将调查并与物理测试

本文的其余部分组织如下:在部分2,建行标本不同偏移比例准备图则测试;节3、压裂和裂纹扩展的建行标本在测试过程中尚需进一步观察和讨论;节4,结果(例如,最大主应力云图,荷载位移曲线)从数值模拟获得关于XFEM FDEM分别介绍和对比实验和仿真结果进行了分析。本文的结论是在部分5。

2。实验

2.1。实验材料和样品制备

在这个实验中使用的粘土来自安徽农业大学,农业公园合肥,中国。粘土是收集从50 - 60厘米以下的表面;物理性质参数总结如下:塑性指数我P= 12.1,液限 = 30.2%,塑性极限 = 18.1%,最大的干密度ρ= 1.85克/厘米3。粒度分布如下:大小> 0.25毫米(11.1%),0.1 - -0.25毫米(18.5%),0.075 - -0.1毫米(33.4%)和< 0.075毫米(37.0%)。中使用的粘土与抵消切口梁试样图则测试如图1。图1(一)是真正的实验装置,图呢1 (b)“测试的示意图。可以看出每个建行标本设计给定的尺寸150毫米×40毫米×40毫米。

(一)
(一)
(b)
(b)
图1
建行标本与抵消切口用于图则试验。(一)实验装置;(b)图则测试的示意图。

在这个实验中,最初的粘土和18建行标本准备;具体步骤可总结如下。

步骤1。粘土干和粉,这样一些无关的石头,作物残留物和其他杂质可能已筛出。

步骤2。粘土的重量估计根据标本的数量和最大的干密度,和水的重量计算根据最佳含水量,分别。

步骤3。水加权和加权粘土混合,混合粘土是存储在一个密封袋24小时。

第四。两个模具相同的长度、宽度和高度,即。,30.0 mm × 170 mm × 100 mm, were designed, as shown in Figure2(一个)。

(一)
(一)
(b)
(b)
(c)
(c)
图2
(一)模具压实粘土;(b)可调夹具;(c)由线锯切割土壤块。

第5步。为了方便清除压实土的一步7在压实之前,每个模具的内部墙壁被均匀地涂上凡士林,然后用铝箔垫。

步骤6。步准备的粘土3被均匀地添加到之前的模具密封,然后保存24小时。

步骤7。大型土壤块被压实的模具,这是锯成单个建行(18)使用一个可调夹具和线锯,如图2 (b)和2 (c)。
出于[9),推荐的切口高度一个(见图1)梁的高度 (见图1)比 设置为0.3 - -0.6。因此,切口梁的高度比(NBHR)这个实验将被设置为0.33;也就是说,the notch height一个= 13.3毫米。偏移量比C可以用下面的方程计算: 在哪里t切口和中心线之间的距离,一个切口高度,年代两个支撑辊的距离,如图1。
(所23],图则测试抵消的结果取得了全尾矿回填(CFTB)表明,人工CFTB强度的岩石和土壤之间的中间。据报道,初始裂纹扩展从底部中心,而不是预设的,当偏移比例超过给定的阈值,即0.75 [23]。因此,弥补缺口的标本不会被破解,如果偏移比例超过给定的阈值。根据建议阈值0.75 (23),然后我们进行了两次“测试(即。,抵消比率C= 0.75,C= 0.733)的切口高度一个= 13.3毫米;结果表明,粘土的初始裂缝梁将扩展从底部中心而不是预设抵消级距,当补偿比例C将0.75 (t= 45毫米)和0.733 (t= 44毫米)。然而,当偏移量的比例C将是0.717,也就是说,t= 43毫米,初始裂纹将延续弥补缺口。
正如上面所讨论的,六个抵消比率C= 0.717 (t= 43毫米),C= 0.625 (t= 37.5毫米),C= 0.5 (t= 30毫米),C= 0.375 (t= 22.5毫米),C= 0.25 (t= 15毫米)C= 0 (t= 0毫米)将因此进行。在这个实验中,18个标本准备然后分成3组;也就是说,C0.717-G1-G2-G3:3标本准备抵消比率0.717,C0.625-G1-G2-G3:3标本准备抵消比率0.625,C0.5-G1-G2-G3:3标本准备抵消比率0.5,C0.375-G1-G2-G3:3标本准备抵消比率0.375,C0.25-G1-G2-G3:3标本准备抵消比率0.25,和C0-G1-G2-G3:3标本准备抵消比0。每个标本标签是根据其抵消比率。例如,标本在3组与偏移量比0.5会贴上C0.5-G3。级形成的线锯,级距成立的宽度为1.6毫米。图3上面显示了六个准备标本与六抵消比率。


图3
准备的建行标本与不同的抵消等级:C= 0.717 (t= 43毫米),C= 0.625 (t= 37.5毫米),C= 0.5 (t= 30毫米),C= 0.375 (t= 22.5毫米),C)= 0.25 (t= 15毫米)C= 0 (t= 0毫米)。
2.2。实验装置和程序

安徽省建行裂缝性实验进行了工程实验室智能农业机械和设备在安徽农业大学,合肥,中国。加载力F在“面向测试的水平,消除重力的影响的建行标本7,10]。实验设置显示在图的概述4。具体来说,图4(a)是整个土壤断裂力学性能测试系统进行测试,包括数据采集模块、伺服电动机,一些机械性能测试平台的具体实验subrigs呈现在图4详细(b)。支撑板配备通用辊涂上凡士林,以减少摩擦效应在实验测试。伺服电动机的加载速率为0.6毫米/分钟。在图所示的工业级PLC控制单元4(一)是用于收集实验数据如负载和加载点的位移P在加载过程中。


图4
实验测试系统的“测试压实粘土。(一)整个测试系统;(b)力学性能测试平台,标签1是可调节支撑架,标签2是建行标本标签3是装载点,标签4是一个压力传感器,标签5是电动缸,标签6是伺服电动机,和标签7是支撑板。

3所示。结果和分析

3.1。裂纹扩展特征

图5(一个)显示了裂纹扩展形态三个标本,也就是说,C0-G1,C0-G2,C0-G3(从上到下),抵消比率C=0的框架,在I型骨折。三个标本的裂纹扩展路径不是一条直线,但弯弯曲曲向装载点P。从图5(一个),可以看出,所有终端裂缝点(TCP)在裂纹扩展形态将接近时装载点标本完全破裂,类似于那些获得典型的土壤标本集中切口的(6),如呈现在图5 (b)。混乱的裂纹扩展路径的标本的原因和补偿比例C= 0可能由不均匀性和quasibrittle土壤物质的性质。

(一)
(一)
(b)
(b)
图5
组中的裂纹扩展形态与补偿比例C= 0。(一)该实验的结果:C0-G1 C0-G2,和C0-G3(从上到下);(b)裂纹扩展形态的结果(6]。

图6显示了典型的裂纹扩展给定标本与偏移量的比率C= 0.375(见左subfigure)和C= 0.625(见右subfigure),分别。裂纹扩展的过程可以分为四个阶段:在阶段1结束,初始裂纹出现在抵消切口向装载点,开始传播。初始裂纹方向之间的角度和直线垂直于加载的方向被定义为初始裂纹角θ,如图7。数据显示6(一)和6 (b),初始裂纹角θ显示一个下降的趋势随着偏移量比的增加,这与实验结果是一致的报道(23]。在阶段2和3和建造,裂纹扩展路径略呈之字形仍然裂纹传播向装载点P。然而,发现裂纹扩展路径的不同趋势在第四阶段。例如,终端裂纹与抵消比标本C= 0.375几乎指着装载点P在标本,而终端裂纹偏移比例C= 0.625显著偏离装载点P。摘要终端裂纹和中心线之间的距离用建行的象征X(见图8)。这些裂纹扩展特征一致的结果(13]。类似的裂纹扩展特征也从其他组,观察和类似的现象将不会重复。

(一)
(一)
(b)
(b)
图6
典型的裂纹扩展形态在加载过程中四个阶段。(一)C= 0.375;(b)C= 0.625。

图7
初始裂纹角θ偏移量比C≠0。

图8
终端的距离裂纹与建行的中心线偏移比例C≠0。

图9显示的进化趋势θ和X与偏移量比C。如图9(一个),平均初始裂纹角(AICA)减少大约和线性补偿比例C增加从0.25到0.717,这表明偏移量比越大,初始裂纹的奉承。初始裂纹的角度θ离散当偏移量比达到0.717,接近给定的阈值。如图9 (b)可以看到,它的平均价值X增加逐渐增加的补偿比例C,但的价值X增加显著偏移量比率增加时C= 0.5C= 0.625。

(一)
(一)
(b)
(b)
图9
的发展趋势θ和(X)标本抵消增加的比率C。(一)初始裂纹的角度θ与偏移量比C;(b)终端裂纹点之间的距离和中心线(X)和补偿比例C。
3.2。荷载位移曲线

荷载位移曲线得到六抵消比例如图10。荷载位移曲线通常可以分为三个阶段,如图11。在第一阶段(1)⟶2)负载F增加大约和线性增加装载点的位移P。因此,第一阶段可以被视为线性弹性阶段。为第二阶段(2⟶3)负载F位移的增加而非线性增加装运点P。因此,第二阶段可以被视为非线性强化阶段,负载达到峰值F马克斯当曲线达到第3点。为第三阶段(3⟶4)负载F逐渐减少加载点位移的增加P。因此,第三阶段可以被视为非线性postpeak软化阶段。postpeak应变软化行为可能与土壤材料的塑性变形和残余应力。

(一)
(一)
(b)
(b)
(c)
(c)
(d)
(d)
(e)
(e)
(f)
(f)
图10
6抵消比率的图则的荷载位移曲线测试:(a)C= 0;(b)。C= 0.25;(c)C= 0.375;(d)C= 0.5;(e)C= 0.625;和(f)C= 0.717。

图11
建行图则的典型梁进行试验。

根据图11,趋势和形状的荷载位移曲线在不同偏移量比类似的抵消比下零,和所有的荷载位移曲线有三个阶段,即。,1⟶2、2⟶3和3⟶4,在协议的描述7]和[8]。然而,数据10 (b)- - - - - -10 (f)表明,荷载位移曲线通过两个不同的子阶段1⟶2和2⟶2在阶段1⟶2。在显微镜台下的1⟶2′,增加的荷载位移曲线变得陡峭的位移;我们可以调用子阶段1⟶2′凹阶段。诱导凹阶段的原因是骨折的类型从模式我I ii混合模式由于截面的剪切应力骨折。最初的微裂隙通常形成于弱的应力集中区域,而这些微裂隙无法通过运行后试样的厚度的方向T。随着负载的增加,这些微裂隙逐渐积累在切口,但积累的能量并不足以形成一个整体断裂表面(14]。在显微镜台下的2′⟶2,曲线的斜坡方法一个常数值,在弹性变形阶段,这也是应变能积累阶段。积累的微裂隙并不是完全不稳定的,直到发生非线性加强阶段2⟶3,之前加载力达到第3点,如图10 (b)- - - - - -10 (f)。然而,荷载位移曲线的凹特征不明显等子阶段1⟶2′C0.375-G3曲线在图10 (c),因为非均质和非连贯性的土壤质量影响其机械性能的微观尺度在某种程度上。

表1总结了机械性能的测试结果包括峰值负载(即。、最大负载)和位移在最大负载,在哪里F马克斯表示峰值负载,Fmave表示平均峰值负载,D表示的位移峰值负载D大街表示的平均值D。

表1
力学性能的测试结果。

图12显示了平均峰值负载的趋势Fmave与不同的补偿比例,图13显示了平均位移的趋势,即D大街与不同的抵消比率。从图可以看出12通常,平均峰值负载的增加而增加抵消比率。当偏移比例增加C= 0C= 0.5,平均峰值负载略有增加,显示是一个近似的线性增加的趋势。然而,当偏移比例增加C= 0.5C= 0.625,平均峰值负载将迅速增加,大约两倍比的值相比产生的场景C= 0.5。作为偏移量比例增加C= 0.625C= 0.717,平均峰值负载仍然几乎不变。因此,位置偏移量比率是0.5可视为一个突变点Fmave。补偿比例的增加,断裂模式从I型转移到混合模式,和平均峰值负载的增加慢作为偏移量比方法阈值为0.717。根据图13的平均位移加载点的增加也会增加抵消比率。当偏移比例C增加从0.375到0.5,D大街显著增加。当偏移量比例C从0.5增加到0.717,变化趋势D大街值变得缓慢,增长率接近D大街值的时候C从0增加到0.375。


图12
F mave与偏移量比C。

图13
D 大街与偏移量比C。
3.3。建行的断裂机制弥补缺口

如图12下一个常数切口高度一个,平均峰值负载的增加随着偏移量的增加比率。断裂模式从模式我转移到混合模式下非零偏移比例。因此,峰值负载的变化可以直接反映在试样断裂阻力的变化。本文中的标本图则测试可以被视为简支梁,如图14。

(一)
(一)
(b)
(b)
图14
建行的示意图和弥补缺口。(一)建行的图;(b)骨折的横截面。

根据力矩平衡, 在哪里F是加载,F一个和FB是两个对称的支持反应土壤支持梁,分别米是横截面的弯矩切口的位置,然后呢年代的有效跨度梁。由于粘土梁试件的横截面是长方形,横截面的弯矩切口的位置可以用下面的方程,表示的有效高度截面可以表达的 。

根据(2)和(3),虽然负载F逐渐增加抵消增加的比率C横截面的弯矩,却降低了。随着剪切力F年代横截面是恒定的剪切应力保持不变,弯曲应力逐渐减小。在一个恒定的切口高度下,标本是破解从底部中心而不是抵消比超过0.717时切口。当抵消比率小于给定的阈值,截面的弯曲应力切口的位置大于中央截面试样。因此,样品将被破解从最初的切口弯曲应力时满足试样的强度。

土壤应力强度因子K我可以确定使用下列方程(7,9]: 在哪里f是一个函数的 并表示为

当F到达峰值负载时,我断裂韧性的模式(K集成电路)可以确定使用的材料(5)。的断裂韧性K集成电路可以计算出平均峰值负载Fmave在偏移量比C= 0替换到负载F在(5),断裂韧度的值是11.1 kPa·m0.5。平均抗拉强度(σt)的标本被测量为25.9 kPa使用直接张力测试方法和8-shaped夹具。因此,抗拉强度比的断裂韧性K集成电路/σt的标本在这个实验中是0.4286,接近一个报告(10]。

4所示。仿真结果和分析使用XFEM和FDEM

在本节中,将建立两个二维仿真模型使用XFEM FDEM,然后两个二维仿真模型的模型参数给出。仿真结果包括裂纹扩展路径和建行的荷载位移曲线为“测试抵消级距下抵消比率,C= 0,C= 0.375,C= 0.625,三个典型案例,将详细介绍。

XFEM依赖较低的网,不需要网重建裂纹扩展或网格细化裂缝技巧,解决不连续力学问题,如裂纹扩展基于独立啮合的想法。此外,XFEM识别初始裂缝根据最大主应力标准(24]。当损伤起始标准是满意,标本进入损伤演化阶段和裂纹扩展的开始。基于位移和损伤演化规律包括的的基于能量,采用幂律: 在哪里σ马克斯最大主应力, 是关键的最大主应力,裂缝开始什么时候f= 1。在(8),G我,G二世,G三世断裂的能量,G我C,G二世C,G三世C临界断裂能量。详细XFEM理论可以在[17,24,25]。

提出的FDEM最初Munjiza et al。26];它可以用于模拟脆性的破坏和断裂行为和quasibrittle材料。近年来,FDEM采用模拟变形、开裂,裂纹扩展在岩石和土壤19- - - - - -22,27]。与土体FDEM可以理想化变形元素和凝聚力元素的集合,可变形的元素是保税的凝聚力元素。变形元素分配土壤物质属性和凝聚力元素分配键属性。土材料的连续行为促进了可变形的本构关系的元素和凝聚力的刚度元素,和凝聚力的不连续的行为是促进元素(20.]。

图15显示了裂纹扩展过程的二维FDEM模型变形由三角形元素和凝聚力元素节点所代表的元素。在FDEM模型,如图16,每两个相邻三角形元素与一个节点的元素(FNCE)。可以传播优势是裂缝沿任意路径,而不是直线。因此,模拟土壤裂纹扩展路径和开裂特征将更为现实。详细FDEM理论可以在[20.,24,27]。


图15
与FDEM模拟裂纹扩展过程。

图16
FDEM仿真模型。
4.1。模型开发和参数设置

模型构建与2 d壳元素,和几何的模型是一样的,样品图所示1。两个较低的支持和上装载点设置为离散刚体(DRB)。初步实验研究网格敏感性的影响在峰值负载和荷载位移曲线,然后可以确定适当的筛孔尺寸。考虑的经济计算,本文XFEM 1.8毫米CPS4R元素被选中,这6980个元素的总数。粘度控制因素将是0.001来提高计算的收敛性,并加载位移将是3毫米。

因为商业有限元软件ABAQUS没有函数自动插入的元素之间的所有固体元素,零厚度凝聚力元素的插入三角固体元素之间将通过在裂纹扩展区域Python脚本开发。FDEM的几何仿真和XFEM模拟是一致的,较低的支持和上装载点离散刚体,采用准静态分析(20.]。初步实验表明,网格大小FDEM计算结果有很大的影响。可变形的元素用1毫米表示CPS3元素来保证模拟精度,网格的数量是12378。邻变形元素之间的凝聚力元素插入全球模拟裂纹扩展的不连续和裂纹扩展路径的随机性quasibrittle土壤材料。凝聚力元素与COH2D4元素代表的厚度为零,和网格的数量是18365。FDEM仿真模型与补偿比例如图16。

一般来说,土壤质量有复杂的物理和机械性能,和压实粘土quasibrittle材料的属性。由于粘土的塑性行为需要考虑模拟,材料变形的属性元素XFEM和FDEM模型应该被土的弹塑性本构模型。本文通过基于本构模型使用的可变形的元素,也应用于(28- - - - - -30.),和材料的参数是借用了(29日]。

土体断裂参数的关键在粘土梁裂纹扩展的模拟。名义应力σn可以用下面的方程计算后(18,31日),被视为参考设置的最大主应力值(Maxps)和最大应力(max)在这个仿真: 在哪里le是等效裂纹长度,它可以使用第一个方程后,计算和象征吗lfpz裂缝延伸区域的长度,可以计算使用(11): 在哪里一个切口高度和吗λ是标本的切口高度高比率。裂缝延伸的长度是由区域 在哪里K集成电路断裂韧性和吗σt抗拉强度。

XFEM和FDEM仿真模型对抵消比率,C= 0和C= 0.5,首先预先构建的。通过反分析模型参数调试,试错的方法是使用手动校准模拟参数。土体断裂起始的模拟参数和损伤演化后的荷载位移曲线如图10 (c)和10 (e)(见部分3.2)。XFEM和FDEM模拟、骨折和损伤参数在正常和切向方向假定相同(18,19]。最后,总结了模拟的所有材料参数表2和3。

表2
的基于土体的本构模型参数。
表3
XFEM和FDEM模拟参数。
4.2。仿真结果和分析

数据17和18显示的最大主应力云图(MPSN)裂纹扩展过程的建行的补偿比例C分别使用XFEM = 0.625和FDEM。裂纹扩展路径和方向类似于上面的物理测试;例如,装载点的距离终端裂纹P类似于那些从物理试验获得。然而,如图(17日)和(18日),初始裂纹角θ在裂纹萌生阶段大于实际的测试。主要原因是正常和切向仿真参数设置为相同的值。

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图17
使用XFEM MPSN的裂纹扩展过程。(一)初始阶段;(b)早期阶段;(c)中后期阶段;和(d)完成裂纹裂纹扩展过程的阶段。
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图18
使用FDEM MPSN的裂纹扩展过程。(一)初始阶段;(b)早期阶段;(c)中后期阶段;和(d)完成裂纹裂纹扩展过程的阶段。

图19描绘了荷载位移曲线的模拟和物理测试与补偿比率C= 0,C= 0.375,C= 0.625。在这两种情况下,荷载位移曲线的形状和趋势从XFEM FDEM模拟下抵消比率C= 0,C= 0.375,C= 0.625通常与实验结果相似。如图(19日),抵消比率下的荷载位移曲线C从两个模拟代表获得= 0 i型断裂特征基于图则测试,展示一个令人满意的协议与实验同行和仿真结果报告15)和典型的三个阶段,如图11。但在数据19 (b)和19 (c),曲线获得的两种模拟方法逐渐偏离实验得到的曲线区域的增加抵消比率从0.375到0.625。

(一)
(一)
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(b)
(c)
(c)
图19
荷载位移曲线的模拟和物理测试。(一)C= 0;(b)C= 0.375;(c)C= 0.625。

通过校准过程旨在方法下的峰值负载点补偿比例C= 0.5,两个数值根据抵消荷载位移曲线比率C= 0.375,C= 0.625所有显示线性响应到达峰值负载点,不能捕获明显降低凹章节中讨论阶段3.2。虽然校准数值参数适用于补偿比例的场景C= 0.5,实验和模拟之间的匹配特性可能会失败在其他场景抵消比率;这不能归功于软化的部分线性traction-separation法律;因此,修改后的traction-separation法律需要采用更好地描述复杂经济现象。

同样地,如图19 (b)和19 (c),最大负荷模拟XFEM(黄线)大于FDEM的结果(见紫线)和位移的值对应于最大负载点产生XFEM小于FDEM的结果。虽然有一些偏差之间的荷载位移曲线模拟和实验偏移量比不等于0时,这一趋势是一致的。这两种仿真方法研究提供一个有前途的方法压实土的混合断裂特征。

表4总结所有的最大负载和相应的位移以及相对误差C= 0,C= 0.375,C= 0.625生成的实验结果和数值结果包括XFEM和FDEM。从表4,可以看出最大负载FDEM模拟预测的31.66和65.15 N下抵消比率C= 0.375,C分别为= 0.625,接近实验结果的平均最大负载,即。63.40,32.33 N和N。然而,最大负荷预测的XFEM模拟36.86和72.12 N,分别。负载的最大误差为14.01%,被XFEM预测。最大的错误是可以接受的。但是负载的最小误差为0.94%,被FDEM预测。因此,可以得出结论,FDEM仿真预测的峰值负载值接近物理试验所产生的结果。这可能是由于这一事实有关奇点和浓缩不考虑土壤塑性时被认为是精心的海内外FDEM用于模拟裂纹萌生和传播。然而,只限制是一种土壤密度和含水率是模拟。

表4
比较XFEM和FDEM与实验测试。

5。结论

本文集中于断裂特征的粘质土壤质量的问题,和“测试进行调查的复杂特征建行与各种抵消级距基于试验和数值例;本文的结论可以总结以下几点:(1)建行的“测试抵消级距表明粘土梁标本将裂缝从底部中心而不是预设的切口时抵消比超过0.717,NBHR 0.33。因此,粘土梁有一个偏移量比阈值与抵消一定NBHR下档。(2)一定NBHR下,峰值负载和相应的位移加载点的偏移量的增加比率增加。补偿比例C= 0.5被认为是一个突变点的峰值负载。作为偏移量比例增加,终端裂纹和中心线之间的距离相应增加,但粘土梁试样的初始裂纹角却降低了。(3)产生的裂纹扩展形态从XFEM基本上和FDEM模拟与实验测试的结果。通过获得的荷载位移曲线FDEM模拟更接近那些从实验测试预测峰值负载的错误率较低,也就是说,抵消比率的2.07%和2.76%C= 0.375,C分别为= 0.625。

此外,实验描述和数值模拟的初步结果表明,本文提供了一个强大的和有前途的工具断裂和破碎特性的机理分析,土壤质量。然而,只有NBHR 0.33被认为是在这个工作,和收集的数据也有限的小规模的观点。因此,我们未来的调查试图介绍粘土梁与多个NBHRs标本和不同的水分含量,和大规模的样本和多样性的切口形状将被认为是在不同的工作条件在实际工程。

数据可用性

支持这项研究的结果的数据包括在本文中。

的利益冲突

作者宣称没有利益冲突。

确认

这项研究是由安徽大学科学研究重点项目(批准号KJ2019A0172),机械系统与振动国家重点实验室(批准号MSV202015),中国国家自然科学基金(批准号52005009和52005009),和安徽省的主要研究和发展计划(批准号202004 e11020003)。