Modeling the self-penetration process of a bio-inspired probe in granular soils
Modeling the self-penetration process of a bio-inspired probe in granular soils
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模拟仿生探针在粒状土壤中的自穿透过程
DOI：
10.1088/1748-3190/abf46e
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发表时间：
2021
影响因子：
3.4
通讯作者：
DeJong, Jason
中科院分区：
文献类型：
--
作者：
Chen, Yuyan;Khosravi, Ali;Martinez, Alejandro;DeJong, Jason
土壤渗透是一个能源密集型过程，在自然和民用基础设施应用中很常见。许多人类建筑活动涉及土壤渗透，这通常是通过冲击驱动，推动反作用质量，挖掘或使用大型设备振动来完成的。本文提出了一种数值研究的探针，使用“锚尖”挖掘策略的自穿透过程，其目标是扩展力学为基础的理解，在物理尺寸和应力水平相关的民用基础设施的应用中的洞穴-土壤相互作用。自穿透在这里被定义为探针产生足够的锚固力以克服土壤穿透阻力并将探针尖端推进到更大深度的能力。采用三维离散元数值模拟方法，研究了理想探头在无粘性土中的自贯入过程，包括探头沿着的锚与探头尖端的相互作用。结果表明，自穿透条件改善与模拟土壤深度，和有利的探头配置为自穿透包括较短的锚尖距离，更大的长度和膨胀幅度的锚，和锚具有更大的摩擦系数。结果揭示了与民用基础设施应用相关的一系列土壤深度范围内挖掘力的缩放，并为未来的自穿透探头提供了设计指导。
Soil penetration is an energy-intensive process that is common in both nature and civil infrastructure applications. Many human construction activities involve soil penetration that is typically accomplished through impact-driving, pushing against a reaction mass, excavating, or vibrating using large equipment. This paper presents a numerical investigation into the self-penetration process of a probe that uses an'anchor–tip'burrowing strategy with the goal of extending the mechanics-based understanding of burrower–soil interactions at the physical dimensions and stress levels relevant for civil infrastructure applications. Self-penetration is defined here as the ability of a probe to generate enough anchorage forces to overcome the soil penetration resistance and advance the probe tip to greater depths. 3D Discrete element modeling simulations are employed to understand the self-penetration process of an idealized probe in noncohesive soil along with the interactions between the probe's anchor and tip. The results indicate that self-penetration conditions improve with simulated soil depth, and favorable probe configurations for self-penetration include shorter anchor–tip distances, anchors with greater length and expansion magnitudes, and anchors with a greater friction coefficient. The results shed light on the scaling of burrowing forces across a range of soil depths relevant to civil infrastructure applications and provide design guidance for future self-penetrating probes.
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