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应力 (Stress)

基于连续性介质理论,材料的动量守恒方程可表示为(忽略体力及加速度项)

σ=0

采用爱因斯坦求和约定,上式可写作

iσij=0j

利用动量守恒方程可得等式

i(σijxk)=iσijxk+σijixk=iσijxk+σijδik=σjk

针对某个颗粒 p,其内部应力的积分可计算为

σjk dΩ=i(σijxk) dΩ=ni(σijxk) dΓ=ni(σijxk) dΓ=fjxk dΓ=cfjxk

其中,c 表示该颗粒的所有接触、fj 表示接触力、 xk 表示接触位置。进而,利用颗粒在接触力作用下的静力平衡公式

cfjxpk=(cfj)xpk=0

可得

σjk dΩ=cfjxk=cfj(xkxpk)=cfjbk

其中,xpk 为颗粒质心、bk 为由接触点指向颗粒质心的向量(branch vector)。

针对代表单元体,其域内的平均应力可由其内部所有颗粒内部的应力积分,再除于代表单元体体积得到,表达为

ˉσjk=1Vσjk dΩ=c(fjbpkfjbqk)=cfjdk

其中,c 为代表单元体内的所有接触、dk 表示颗粒质心相对位置矢量。

应变 (Strain)

假设单元变形梯度(deformation gradient)为 F,则变形后,颗粒 p(初始位置 Xp)与 颗粒 q(初始位置 (Xq)质心相对位置矢量 d 可计算为

di=Fij(XpjXqj)

本构张量 (Constitutive tangent moduli)

dfi=kn(dFmn)dnnnni+kt(dFmn)dntnti
Cijkl=σijFkl=cknnidjnkdl+kttidjtkdl

参考文献 1 2 3 4 5


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参考文献


  1. R. I. Borja and J. R. Wren. Micromechanics of granular media Part I: Generation of overall constitutive equation for assemblies of circular disks. Computer Methods in Applied Mechanics and Engineering, 127(1-4):13–36, November 1995. doi:10.1016/0045-7825(95)00846-2

  2. K. Bagi. Stress and strain in granular assemblies. Mechanics of Materials, 22(3):165–177, March 1996. doi:10.1016/0167-6636(95)00044-5

  3. J. R. Wren and R. I. Borja. Micromechanics of granular media Part II: Overall tangential moduli and localization model for periodic assemblies of circular disks. Computer Methods in Applied Mechanics and Engineering, 141(3):221–246, February 1997. doi:10.1016/S0045-7825(96)01110-3

  4. N. P. Kruyt and L. Rothenburg. Statistical theories for the elastic moduli of two-dimensional assemblies of granular materials. International Journal of Engineering Science, 36(10):1127–1142, August 1998. doi:10.1016/S0020-7225(98)00003-2

  5. S. Luding. Micro–macro transition for anisotropic, frictional granular packings. International Journal of Solids and Structures, 41(21):5821–5836, October 2004. doi:10.1016/j.ijsolstr.2004.05.048