مدل‌سازي اجزا مجزا براي ذرات با شكل نامنظم در محيط دو بعدي

Discrete Element Modeling for Two-dimensional Irregularly-shaped Particles

براي به دست آوردن مدل‌سازي دقيقي كه قابل مقايسه با نتايج آزمايشگاهي باشد، ويژگي‌هاي ذرات نظير شكل، اندازه، الاستيسيته و پلاستيسيته، قابليت خردشدگي و موارد مشابه بايد با دقت زيادي مدل شوند. از آن جايي كه شكل ذره بر رفتار مكانيكي گروه ذرات نظير مقاومت برشي تاثير بسيار زيادي دارد، بنابراين مدل‌سازي مناسب شكل ذره از اهميت بالايي برخوردار است. در اكثر مدل‌سازي‌هايي كه تا كنون انجام شده‌اند و به بررسي رفتار خاك پرداخته‌اند، شكل ذرات به صورت دايره، بيضي و چند ضلعي مدل شده‌است كه هيچ كدام مدل‌سازي مستقيمي از شكل ذره نامنظم محسوب نمي‌شوند و بنابراين رفتار مكانيكي را به خوبي نمايان نمي‌سازند. روشي كه در اين مقاله به‌ كار برده شده‌است، در واقع مدل‌سازي مستقيم شكل ذره مي‌باشد. در اين روش شكل نامنظم ذرات واقعي، با تركيب كردن تعداد دلخواهي المان دايره‌اي شكل كه مي‌توانند با يكديگر هم پوشاني داشته‌باشند و به صورت صلب به هم متصل شده‌اند مدل‌سازي شده‌است. براي بررسي تاثير شكل ذرات بر ويژگي‌هاي مكانيكي خاك‌هاي دانه‌اي سه گروه ذرات يعني ذرات تيز گوشه، ذرات با زاويه‌داري متوسط و ذرات گردگوشه در نظر گرفته شده‌اند. سپس با استفاده از روش اجزا مجزا يك سري آزمايش دو محوري شبيه‌سازي شده در فشارهاي همه جانبه مختلف، ضرايب اصطكاك مختلف و نسبت تخلخل‌هاي مختلف بر روي مجموعه‌هاي ايجاد شده از هر دسته ذرات انجام شده‌اند. نتايج نشان مي‌دهند كه ميزان زاويه‌داري ذرات بر رفتار خاك تاثيرات قابل ملاحظه‌اي دارد. هم چنين نتايج به دست آمده به طور كيفي با نتايج آزمايشگاهي مقايسه شده‌اند كه تطابق خوبي بين نتايج ديده شده‌است.

In order to obtain a precise modeling method that would be comparable with experimental results, the specification of grains such as form, size, elasticity, plasticity should be modeled carefully. Since the shape of the grain affects tremendously the mechanical behavior of total grains like shear resistance, the appropriate modeling of the grain shape is considered to be very important. In most cases of modeling that have been applied so far, the grain form is either circular, elliptical, polygonal modeled which none of them is a direct model of the irregular shape of the grain, hence will not project the mechanical behavior as expected. So, it seems to be worthy that direct modeling of grains with irregular shapes be accomplished. The method that is employed in this paper, is in fact a direct modeling of grain’s shape. In this method, the real shape of grain is modeled by combining arbitrary number of overlapping circular elements which are connected to each other in a rigid way. In order to measure the effects of grains shape on mechanical properties of granular soils three types of grains, high angular grains, medium angular grains and round grains are considered where several biaxial tests are performed on assemblies with each of grain types. The results emphasize that the angularity of grains is considerably affecting the behavior of soil. Also, the results are compared against experimental measurements in a qualitative manner which show a reasonable conformity.