基于PFC3D的模拟月壤本构关系研究

【摘要】月表的工程应用及基础设计要求模拟月壤具有准确的岩土工程特性，国内外对模拟月壤的研制及力学性质有较多研究，但对其本构关系方面涉及甚少。论文对模拟土壤岩土工程特性进行了试验研究，为月面工程提供各项有效参数；采用PFC3D对模拟月壤进行了数值模拟，标定了模拟月壤的细观参数，研究了各细观参数对模拟月壤强度的影响；针对月面环境的特殊性，基于颗粒物质力学和接触力学，结合模拟月壤的散体颗粒性，建立了模拟月壤的本构模型。论文通过颗粒分析试验确定了模拟月壤的粒径分布，通过固结试验得到其压缩系数，进行直剪试验和三轴压缩试验确定了抗剪强度参数：内聚力、摩擦角等。在三轴试验中，为模拟月壤设计加工了新型的制样模具，提高了试验效率，得出模拟月壤在高围压和低围压下的抗剪强度。基于室内三轴试验所得出模拟月壤的力学性质，采用基于离散元法的颗粒流软件PFC3D对模拟月壤的细观力学特性进行了研究。建立一个尺寸等同于三轴试验的圆柱壁面及上下加载板模型，使用PFC3D中内嵌的FISH语言编程，生成与室内试验粒径分布状况相符的模拟月壤颗粒集合体。以模拟月壤已知的宏观物理力学参数作为参考，反复调试其颗粒细观参数，直至其模拟应力应变关系与实际相符，建立模拟月壤离散元接触力学模型，进行数值模拟。针对月表土壤的力学特性的特殊性，研究了表面能对模拟月壤强度的影响，建立了考虑模拟月壤颗粒间互相作用的颗粒物质模型，该模型由颗粒物质的本构模型拓展而成，嵌入了颗粒间的表面能，表征在极低大气压力条件下月球土壤的本构关系。在此条件下，由于表面能的影响，该本构模型体现出较高的抗剪强度，与在月球表面观察到的较高抗剪强度性质相符。
【作者】张璐；
【导师】吕建国；
【作者基本信息】中国地质大学（北京），地质工程，2014，硕士
【关键词】模拟月壤；抗剪强度；PFC3D；本构模型；

【参考文献】
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