考虑真实颗粒形态效应的砂土材料连续-离散耦合模拟

The macroscopic properties of sands (e.g., anisotropy, non-coaxiality and liquefaction) strongly depend on the microscopic characteristics of fabric (e.g., particle shape and arrangement), and the corresponding description and explanation based on a macroscopic phenomenological continuum constitutive is difficult and even not working. Discrete Element Method (DEM) has been regarded as an effective tool for investigation of macro- and micro-mechanical behaviors of sands. However, the nowaday DEM modeling cannot effectively capture particle shape effect of realistic grains at a microscopic scale or be directly employed in large-scale modeling at a macroscopic scale. Preliminary studies of this project show that quasi-accurately modeling of realistic grains is a promising approach to efficiently considering particle shape effect in DEM, and coupling a continuum-based numerical method and DEM is a effective way to extend application of DEM in large-scale modeling. This project will conduct further studies of continuum-discrete modeling of sands as follows: studying quasi-realistic particle model with consideration of particle shape effect of realistic grains and the corresponding algorithms of contact detection in DEM, investigating the coupling of Material Point Method (MPM) and DEM with focus on the accurate modeling of representative volume element (RVE) which is the bridge of continuum-discrete coupling, studying the effects of homogenization methods and boundary conditions on the macroscopic responses, followed by the study of CPU/GPU acceleration algorithms for DEM modeling of microscopic RVEs and solving of macroscopic state variables. The expected findings would be helpful to develop the coupled continuum-discrete modeling of sands, and be helpful for a better understanding of the relationship between macroscopic responses and microscopic fabric of large-scale sands.

砂土材料的宏观特性（如各向异性、非共轴、液化）强烈依赖细观组构特征（如颗粒形态与排布），很难用宏观唯象连续本构进行有效描述与解释。离散单元法被认为是研究砂土宏细观力学特性的有效工具，然而，现有的离散元模拟方法，在细观上不能有效刻画真实砂土颗粒的形态效应，在宏观上很难直接用于大尺度模拟。前期研究发现，离散元趋真颗粒模型能够高效考虑真实颗粒的形态效应，连续介质力学数值方法与离散单元法的连续-离散耦合是拓展离散元大尺度应用的有效途径。本项目将进一步研究考虑真实颗粒形态效应的趋真颗粒模型及其碰撞检测算法，研究物质点法与离散单元法的耦合模拟，探究连续-离散耦合表征元的均质化方法和边界条件对宏观响应的影响，研究细观表征元的离散元模拟和宏观尺度状态量求解的CPU/GPU加速算法。研究成果有助于发展砂土材料的连续-离散耦合模拟技术，发展对砂土材料大尺度宏观响应与细观组构相互联系的认识。

砂土颗粒材料的宏观特性强烈依赖细观组构特征，如颗粒形态与排布，很难用宏观唯象连续本构进行有效描述与解释。离散单元法被认为是研究砂土宏细观力学特性的有效工具，然而，现有的离散元模拟方法，在细观上不能有效刻画真实砂土颗粒的形态效应，在宏观上很难直接用于大尺度模拟。经过本项目历时三年的研究，项目负责人从砂土颗粒材料离散本质出发，探究了颗粒材料的多尺度物理力学特性，尝试发展了颗粒材料多尺度数值模拟方法，为进一步深入理解颗粒材料的复杂力学特性提供了新的数值工具；项目的主要理论与技术研究成果分别集中在颗粒尺度和宏观尺度两方面的研究。在颗粒尺度方面，研究了非球颗粒离散元建模，提出了非球颗粒离散元高效模拟的趋真颗粒模型，探讨了颗粒形态学特征对颗粒材料宏观物理力学表现的影响机理；开发了非球颗粒离散元开源程序SudoDEM，得到了领域研究者的大量关注和下载使用；提出了基于GPU光线追踪硬件加速颗粒碰撞检测方法，该方法可应用到包括离散元法、物质点法、近场动力学法等粒子类数值模拟加速。在宏观尺度方面，研究了以有限元法与物质点法为代表的连续介质数值方法与离散元法的层次耦合，提出了考虑颗粒形态效应以及热力耦合的连续-离散多尺度模拟框架，并针对该层次耦合框架的特点提出了基于GPU的线程块化并行加速方法。以上成果拓展了颗粒材料多物理场多尺度建模方法，为颗粒材料工程尺度问题的多尺度建模提供了新工具。特别地，提出的热力耦合计算范式为模拟全球变暖导致的永久冻土区热融滑塌、深海水合物开采诱发海底滑坡等颗粒材料复杂物理力学过程提供了新的数值方案。此外，依托本项目研究取得的理论和数值算法成果，开发并初步构建了颗粒材料无网格数值计算统一平台SudoSim。