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Jun 23, 2023

擬似的な離散要素モデルのキャリブレーション戦略のレビュー

Scientific Reports volume 13、記事番号: 13264 (2023) この記事を引用 253 アクセス 1 オルトメトリクスの詳細 この研究では、最初に以下の構造の機械的応答の理論をレビューしました。

Scientific Reports volume 13、記事番号: 13264 (2023) この記事を引用

253 アクセス

1 オルトメトリック

メトリクスの詳細

この研究では、荷重下の構造の機械的応答の理論を最初に検討しました。離散要素法は、弾性変形や構造破壊を含む機械的応答を研究するためのルートを提供します。 しかし、実験を通じて離散要素法の支配方程式から微視的なパラメータを直接取得するには課題が生じます。 これらの微視的なパラメータを取得するための 1 つの可能な戦略は、研究者によって広く使用されているパラメータのキャリブレーションです。 次に、離散要素法の支配方程式と故障基準が要約され、校正される微視的パラメータが特定されます。 次に、離散要素法の古典的な校正法の原理を、その特性の検証と議論とともに詳細に説明します。 最後に、この研究では、校正されたパラメーターの適用性を検討し、粒子のサイズ比、空隙率、最大半径、最小半径が幾何学的な校正モデルとアプリケーションの両方で同一である必要があることを指摘しています。

外力が構造システムに加えられると、機械的応答が発生します。 これらの機械的応答の研究には、偏微分方程式を含む支配方程式を使用した古典的な連続力学が一般的に使用されます。 しかし、古典的な連続力学が破壊に遭遇すると、不連続点 1 (たとえば、破壊) に導関数が存在しないため、困難に直面します。

破壊関連の問題に対処するために、位相場理論 2、拡張有限要素法 3、4、ペリダイナミクス 1、離散要素法 5 など、さまざまな方法が研究者によって提案されています。 破壊に対する位相場理論は、連続損傷関数を利用して自由不連続面の存在を近似します6、7。 ただし、フェーズフィールド破壊技術は、高度に局所的な損傷の進行のみを説明するものであり、不連続部の核生成や伝播を説明するものではないことに注意する必要があります。 したがって、基本的には連続フィールドベースのテクノロジーです。 拡張有限要素法（XFEM）は、従来の有限要素法の変位関数に不連続性を反映できる機能を追加した数値手法です。この手法は、レベルセット法を利用して界面の変化を動的に追跡し、さまざまな問題の解決を可能にします。亀裂、穴、介在物などの不連続性の種類8. ただし、XFEM はクラック分岐を処理するときに問題に遭遇する可能性があります。 ペリダイナミクスでは、従来の微分方程式に依存する代わりに、積分方程式を使用して亀裂先端での特異点を回避します1。 ペリダイナミクスは、骨折などの非連続問題の解決に多大な利点をもたらします9,10。 ただし、ペリダイナミクスでは、材料境界付近の剛性低下の問題が発生する可能性があります。 DEM はマテリアルを個別のメディアとみなし、各ブロックまたはパーティクルはニュートンの第 2 法則に従って移動します5。 変位、回転、スライド、さらには分離をシミュレートできます。 DEM は、破壊やその他の大きな変形現象を現実的かつ直感的にシミュレートできます。 粒子で構成されるバルク系の破壊は、粒子の分離から始まります。 2 つの粒子間の力の消失は、亀裂の発生を意味します。 数十年にわたる開発により、DEM は地盤工学 11、12、13、14、15、16、鉱業 17、18、19、20、農業 21、22、23、24、25 などのさまざまな分野で広く適用されてきました。 したがって、いくつかの DEM ソフトウェア パッケージが開発されました 26、27、28、29。

DEM を使用してシミュレーションを実行する前に、モデルに含まれる材料パラメーターを決定することが重要です。 古典的な連続力学では、ヤング率やポアソン比などの材料パラメーターは実験を通じて決定できます。 ただし、DEM のパラメータは、微視的パラメータと呼ばれる垂直接触剛性や接線方向接触剛性など、微視的レベルで指定する必要があります。 これらの微視的パラメータは巨視的パラメータとは異なります。 実験的に測定することは困難です30。 現在、DEM の微視的パラメータを決定する方法はパラメータ キャリブレーションです。 この研究が、準静的荷重下で数百万の粒子で構成されると想定される固体構造の弾性変形に焦点を当てていることは注目に値します。 弾性変形の研究は主に弾性理論の原理に依存しますが、動的粒子システムは他の力学 (理論力学など) に依存します 31、32、33、34、35、36、37、38。 その結果、主要なパラメータと校正方法は、弾性構造と動的微粒子システムの間で大きく異なります。 たとえば、粒子密度はガス比重計を使用して測定され、滑り摩擦係数は動的微粒子システムでの滑り摩擦試験によって決定されます31、32。 線形弾性変形では、線形弾性の構成方程式が使用されます。 線形弾性における基本的な巨視的パラメータは、ヤング率とポアソン比です。 これらの巨視的パラメータは構造の変形に大きな影響を与えます39。 線形弾性の文脈では、これらの巨視的パラメータは、離散要素モデルの微視的パラメータ、つまり有効係数と剛性比に対応します。