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研究生:周書玄
研究生(外文):Shu Hsuan,Chou
論文名稱:離散元素法初探材料微、巨觀參數之關係
論文名稱(外文):Relationship of Material Microscopic-Macroscopic parameter revealed by Discrete Element Method
指導教授:張國楨張國楨引用關係
口試委員:林銘郎王泰典
口試日期:2013-07-24
學位類別:碩士
校院名稱:國立臺北科技大學
系所名稱:土木與防災研究所
學門:工程學門
學類:土木工程學類
論文種類:學術論文
論文出版年:2013
畢業學年度:101
語文別:中文
論文頁數:96
中文關鍵詞:分離元素法微觀參數巨觀參數三軸試驗線性迴歸
外文關鍵詞:Discrete Element MethodPFC3Dmicroscopic parametersmacroscopic parameters
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本研究係透過數值分析方法模擬材料在三軸(含單壓)試驗條件下之力學行為,並針對材料的微觀參數作改變情況下,所對應的巨觀參數變化作探討。本研究係以分離元素法(Distinct Element Method)之三維數值軟體PFC3D模擬圓球顆粒元素間之微觀非連續體之力學行為,並建立元素之微觀參數與整體材料巨觀參數相互關聯性之敏感度分析。以三軸試驗為例,透過顆粒元素之間微觀參數的設定,進行PFC3D之模擬結果,獲得不同微觀參數設定下所對應之整體巨觀參數,而就材料微、巨觀參數校核之關聯性探討,得知材料巨觀彈性模數與單壓強度,分別與顆粒元素之微觀彈性模數和顆粒間鍵結強度約成正比關係;另一材料巨觀參數-柏松比則與微觀顆粒元素之正/切向勁度比成正相關;材料整體巨觀摩擦角則與元素微觀之粒間摩擦係數成正面影響。
選擇三軸(含單壓)試驗作為數值分析之試驗,因而獲得材料微、巨觀參數之敏感度分析結果,使用統計分析軟體-SPSS作分析,使用迴歸方法,將其初步微、巨觀參數之間以迴歸方程式加以表示關係,提供日後欲使用PFC3D模擬顆粒與鍵結等諸微觀材料參數調準而滿足所欲模擬材料巨觀參數之研究工作參考方向。


This study analyzed through numerical method to simulate materials in triaxial (including single pressure) mechanical behavior under test conditions, and for the microscopic parameters for changing the material circumstances, the corresponding macroscopic parameters as discussed
  This study is based on the Distinct Element Method Numerical software PFC3D Simulation microscopic spherical particles between elements of the mechanical behavior of non-continuum, and to establish the elements of microscopic parameters and the overall macroscopic material parameter sensitivity analysis of interconnectedness.
In triaxial tests, for example, elements through microscopic particles parameter settings for PFC3D the simulation results obtained under different microscopic parameters set corresponding overall macroscopic parameters, in respect material of micro and macro parameter checking investigate the association , That material macroscopic elastic modulus and uniaxial compressive strength, respectively, with the microscopic particle elements elastic modulus and bond strength between particles is proportional approximately,another material macroscopic parameters - Poisson''s ratio is positively related to particles of the elements of positive / tangential stiffness ratio.
Used statistical analysis software-SPSS as analysis using regression methods, represent between the micro, macro parameter relationships by regression equation, in future PFC3D simulated particles and bonding material parameters such as the alignment of various microscopic and macroscopic materials to meet the desired simulated parameters reference direction of research work.


中文摘要 i
英文摘要 ii
誌 謝 iv
目 錄 v
表目錄 viii
圖目錄 ix
第一章 緒論 1
1.1研究動機與目的 1
1.2研究方法與範圍 1
1.3論文架構與內容 2
第二章 文獻回顧 4
2.1數值模擬分析方法-離散元素法 4
2.2離散元素法之沿革與相關文獻概述 4
2.3破壞機制之應用-數值模擬 6
2.3.1三軸試驗模型材料生成程序 6
2.4統計分析方法&軟體-SPSS 12
第三章 數值模擬&統計分析方法 14
3.1離散元素法 14
3.2離散元素法之理論 14
3.3離散元素法之應用 15
3.4數值模擬軟體-PFC程式概述 15
3.4.1PFC之概述 15
3.5PFC之基本假設 16
3.6PFC之運算邏輯 16
3.6.1力與位移關係 16
3.6.2運動方程式 17
3.7PFC3D之微觀參數 17
3.7.1顆粒元素參數 18
3.7.2鍵結力參數 19
3.7.3邊界元素參數 21
3.8統計分析方法 22
第四章 模型建置方法 25
4.1幾何參數之敏感度分析 27
4.1.1顆粒粒徑對彈性模數之影響 27
4.1.2顆粒粒徑對塑性參數之影響 29
4.2數值模擬之實際參數輸入值 34
第五章 模擬結果分析與討論 35
5.1微觀材料參數與巨觀參數之簡單迴歸關係 35
5.2顆粒間及鍵結之彈性模數與巨觀參數簡單迴歸評估 36
5.3顆粒間摩擦係數與巨觀參數之簡單迴歸評估 40
5.4顆粒與鍵結之正向與切向勁度比與巨觀參數之簡單迴歸評估 44
5.5平行鍵結半徑倍數與巨觀參數之簡單迴歸評估 48
5.6正與切向鍵結強度與巨觀參數之簡單迴歸評估 52
5.7多變量迴歸分析 56
5.8建立微觀參數與巨觀參數之線性迴歸經驗式 57
5.9迴歸結果評估 58
5.9.1殘差分析 58
5.9.2估計標準誤 61
5.10自然界材料特性介紹 63
第六章 結論與建議 66
6.1結論 66
6.2建議 67
參考文獻 68
附錄 70
A:模擬PFC3D三軸試驗所輸入之微觀材料參數與輸出之巨觀參數表 70
B:單變量迴歸之殘差與各因子分佈關係圖 77
C:多變量迴歸之殘差與因子分佈關係圖 93


【1】Itasca Consulting Group Inc.,“Particle Flow Code in Three Dimensions,Version 3.0,”Minneapolis:ICG.,1999.
【2】吳政諭,剪力筋對於鋼筋混凝土矩形梁剪力行為之影響,碩士論文,國立 台北科技大學土木工程與防災研究所,台北,2008。
【3】翁晨桓,分離元素法之崩模型建置及震滑機制行為初探,碩士論文,國立 台北科技大學土木工與防災研究所,台北,2011。
【4】黃朝鍾,應用分離元素法初探顆粒材料接觸與破壞模式之關係,碩士論文,國立臺北科技大學土木工程與防災研究所,台北,2010。
【5】張家銓,分離元素法於擬脆性岩材微觀破裂機制之初探,碩士論文,國立 台北科技大學土木工程與防災研究所,台北,2007。
【6】李宏輝,砂岩力學行為之微觀機制-以個別元素法探討,博士論文,國立 台灣大學土木工程研究所,台北,2008。
【7】張賀翔,應用分離元素法探討順向坡失穩歷程-以國道三號崩塌事件為例,碩士論文,國立臺北科技大學土木工與防災研究所,台北,2012。
【8】黃國忠,應用聲射法與分離元素法探討擬脆性岩材破壞機理之研究,台北,2009。
【9】周偉、謝婷蜓、馬剛、常曉林,基於顆粒流程序的真三軸應力狀態下堆石體的變形和強度特性研究,武漢大學水資源與水電工程科學國家重點實驗室,2012.10。
【10】王傑,「工程統計學《系統剖析》」台北,2009。
【11】王保進,中文視窗版SPSS與行為科學研究,台北市立教育大學,台北,2006。
【12】謝邦昌,多元線性迴歸與逐步迴歸,國立台灣大學農藝所,台北。
【13】吳明隆、涂金堂,SPSS與統計應用分析,台北,五南圖書,2006,第443-513頁。
【14】陳榮方,量化研究方法-SPSS統計資料分析,國立高雄應用科技大學企業管理系(所),高雄。


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