用于雪的高应变率变形的离散元模型

在工程应用中，雪常经历大且快的变形。在这些变形过程中，雪从烧结多孔材料转变为颗粒材料。为捕捉该过程的基本力学行为，离散元（DE）模型在物理上最为合适。它显式包含所有相关组分：由粘结颗粒构成的雪微观结构、键的断裂以及随后松散颗粒的重排与相互作用。我们基于开源 DE 代码 liggghts 开发并标定了 DE 雪模型。模型中雪颗粒由随机分布的弹性球表示，以弹性-脆性键连接。该粘结结构对应于烧结雪。施加外力后，键中应力可能超过其强度，键断裂，我们得到松散颗粒，对应于颗粒雪。模型参数可分为依赖于温度的材料参数与依赖于雪类型的微观结构参数。该模型通过休止角实验及在冷实验室中进行的若干高应变率力学测试进行了标定。我们通过模拟不同雪类型在大应变下的压缩与剪切组合变形展示了 DE 雪模型的性能。模型成功复现了实验。雪的大部分力学行为特征被模型捕捉，如断裂行为、低密度与高密度雪的差异、颗粒剪切流动或低密度雪的致密化。该模型有望模拟广泛雪类型的任意高应变率过程，因而似乎可用于不同的雪工程问题。