基于改进粗糙表面Greenwood-William接触模型的离散元方法

颗粒材料的表面粗糙度在很大程度上影响颗粒集合体的力学特性,传统离散元方法中对颗粒具有光滑表面的假设,使得其无法准确描述真实颗粒材料的接触行为,因此有必要发展可以定量考虑颗粒表面粗糙度的随机离散元方法。在介绍经典粗糙表面接触模型Greenwood-Williamson(简称G-W)模型的基础上,分析了G-W模型应用于离散元模拟的缺陷,提出了分别考虑颗粒重叠光滑部分和粗糙部分的改进模型,并推导出了相应的无量纲形式,对比了经典G-W模型与改进模型计算得到的粗糙颗粒接触时压力分布、变形分布、总接触力等结果。结果表明,改进的接触模型能够更直观地反映颗粒表面粗糙度对颗粒接触的影响。基于改进的接触模型,采用两步曲线拟合手段,得到了可以直接应用于离散元模拟的随机法向接触定律。将该定律通过开发用户自定义接触模型引入到颗粒离散元程序PFC~(3D)中。通过数值试验观察了表面粗糙度在不同加载路径下对颗粒集合体力学特性的影响。