密集颗粒体系的颗粒运动及结构测量技术

颗粒材料由大量粗颗粒堆积形成,是复杂的多体相互作用体系,呈现出颗粒尺度的结构不均匀和动力学不均匀性的基本特征,这决定了颗粒材料具有很多独特的宏观性质.借鉴学科历史的发展途径,基于统计力学,从颗粒结构和动力学开始建立颗粒材料体系的宏观连续介质力学理论框架是必然途径.但是,颗粒材料的基本特征决定了从基本理论到实验手段上,表征与建立颗粒材料结构与性能的相关性都极其困难.这是由于现有测试分析手段所描述的颗粒系统组织结构过于简单化,缺乏对颗粒结构和动力学的真正认识,从而制约了颗粒物质研究的发展.因此,开展颗粒体系结构和动力学性质的测量,是理解和认识颗粒材料重要物理和力学问题的基础和依据.笔者来自不同的科研院所,近十年来开展了颗粒体系结构和动力学性质的测量研究,主要集中于以下两个方向:(1)数字图像测速法、散斑能见度光谱法和X射线-CT等非侵入式测量技术在颗粒运动方面的应用;(2)体积响应谱、力学谱(有效质量和内耗等)和声速测量技术等直接或间接测量颗粒接触力和颗粒结构技术.本文综述了这些实验手段的基本原理及其特点、取得的主要成果,以及国际最新进展和困难.最后是对全文的总结,结合笔者开展测量的经验和教训,提出了自己的看法,并试图展望颗粒材料测量技术研究的前景.     

Measurement techniques of grain motion and inter-grain structures in dense granular materials

颗粒材料由大量粗颗粒堆积形成, 是复杂的多体相互作用体系, 呈现出颗粒尺度的结构不均匀和动力学不均匀性的基本特征, 这决定了颗粒材料具有很多独特的宏观性质. 借鉴学科历史的发展途径, 基于统计力学, 从颗粒结构和动力学开始建立颗粒材料体系的宏观连续介质力学理论框架是必然途径.但是, 颗粒材料的基本特征决定了从基本理论到实验手段上, 表征与建立颗粒材料结构与性能的相关性都极其困难.这是由于现有测试分析手段所描述的颗粒系统组织结构过于简单化, 缺乏对颗粒结构和动力学的真正认识, 从而制约了颗粒物质研究的发展.因此, 开展颗粒体系结构和动力学性质的测量, 是理解和认识颗粒材料重要物理和力学问题的基础和依据.笔者来自不同的科研院所, 近十年来开展了颗粒体系结构和动力学性质的测量研究, 主要集中于以下两个方向: (1)数字图像测速法、散斑能见度光谱法和X射线- CT等非侵入式测量技术在颗粒运动方面的应用; (2)体积响应谱、力学谱(有效质量和内耗等)和声速测量技术等直接或间接测量颗粒接触力和颗粒结构技术.本文综述了这些实验手段的基本原理及其特点、取得的主要成果, 以及国际最新进展和困难. 最后是对全文的总结, 结合笔者开展测量的经验和教训, 提出了自己的看法, 并试图展望颗粒材料测量技术研究的前景.     

密集颗粒物质的介观结构

密集颗粒物质由大量颗粒组成的多体相互作用体系,在一定条件下,颗粒互相连接,形成相对稳定的介观尺度结构,其几何和动力学性质较大程度上决定了颗粒体系的宏观物理和力学性质,因此开展颗粒的介观结构研究具有重要的理论价值,是科学的前沿之一.自然界的堆石坝、堰塞体和碎屑流,以及工程中的高温气冷堆堆芯颗粒流和先进核裂变能系统(ADS嬗变)的颗粒散裂靶等都是典型的颗粒体系,研究颗粒体系宏观力学性质是灾害预测和调控技术的关键.本文首先介绍颗粒接触力理论和简化模型的研究进展,接着介绍介观尺度结构分析方法与测量技术,颗粒体系Jamming转变、软点和颗粒微位移测量技术等,最后列举了几个关键的科学问题.颗粒介质中很多基本力学问题的解决需要借鉴物理和数学等学科的最新成果,建立新的概念和范式,从新的角度、思路、理念去认识颗粒介质的基本问题.同时,颗粒介质的基础研究还要紧密结合工程应用领域的大量相关的核心技术,与工程领域专家共同合作,使得颗粒介质的研究有的放矢,更具生命力.     

密集颗粒物质的介观结构

密集颗粒物质由大量颗粒组成的多体相互作用体系,在一定条件下,颗粒互相连接,形成相对稳定的介观尺度结构,其几何和动力学性质较大程度上决定了颗粒体系的宏观物理和力学性质,因此开展颗粒的介观结构研究具有重要的理论价值,是科学的前沿之一.自然界的堆石坝、堰塞体和碎屑流,以及工程中的高温气冷堆堆芯颗粒流和先进核裂变能系统(ADS嬗变)的颗粒散裂靶等都是典型的颗粒体系,研究颗粒体系宏观力学性质是灾害预测和调控技术的关键.本文首先介绍颗粒接触力理论和简化模型的研究进展,接着介绍介观尺度结构分析方法与测量技术,颗粒体系Jamming转变、软点和颗粒微位移测量技术等,最后列举了几个关键的科学问题.颗粒介质中很多基本力学问题的解决需要借鉴物理和数学等学科的最新成果,建立新的概念和范式,从新的角度、思路、理念去认识颗粒介质的基本问题.同时,颗粒介质的基础研究还要紧密结合工程应用领域的大量相关的核心技术,与工程领域专家共同合作,使得颗粒介质的研究有的放矢,更具生命力.     

应用格形模型和统计方法分析两相材料宏观等效力学性质

采用格形模型和统计方法分析了三维两相材料的宏观等效力学性质。首先建立了两相非均匀材料的力学模型和相应的格形有限元分析.在后利用该方法针对六种两相材料模型,分别分析了材料体积比、不同空间分布和材料物理性质分布对两相材料宏观力学性质的影响。由于使用了三维非均匀模型和自适应载荷步长的加载技术,该方法可以较好地模拟材料在准静态加载条件下的破坏全过程,所得结果可以为颗粒（或短纤维）增强复合材料的力学性质及其设计提供参考依据。     

The mesoscopic structures of dense granular materials

密集颗粒物质由大量颗粒组成的多体相互作用体系,在一定条件下,颗粒互相连接,形成相对稳定的介观尺度结构,其几何和动力学性质较大程度上决定了颗粒体系的宏观物理和力学性质,因此开展颗粒的介观结构研究具有重要的理论价值,是科学的前沿之一.自然界的堆石坝、堰塞体和碎屑流,以及工程中的高温气冷堆堆芯颗粒流和先进核裂变能系统（ADS嬗变）的颗粒散裂靶等都是典型的颗粒体系,研究颗粒体系宏观力学性质是灾害预测和调控技术的关键.本文首先介绍颗粒接触力理论和简化模型的研究进展,接着介绍介观尺度结构分析方法与测量技术,颗粒体系Jamming转变、软点和颗粒微位移测量技术等,最后列举了几个关键的科学问题.颗粒介质中很多基本力学问题的解决需要借鉴物理和数学等学科的最新成果,建立新的概念和范式,从新的角度、思路、理念去认识颗粒介质的基本问题.同时,颗粒介质的基础研究还要紧密结合工程应用领域的大量相关的核心技术,与工程领域专家共同合作,使得颗粒介质的研究有的放矢,更具生命力.     

非均匀颗粒材料的类固-液相变行为及本构方程

以非均匀颗粒介质为研究对象，采用三维离散元方法对其在不同密集度和剪切速率下的动 力过程进行了数值模拟，分析了其在由瞬时接触的快速流动向持续接触的准静态流动的转变 过程及其行为特点. 通过对不同材料性质下相变过渡区内颗粒材料的宏观应力、接触时间数、 配位数、团聚颗粒数量、有效摩擦系数等参量的计算，更加全面地描述了非均匀颗粒材料在 类固-液相变过程中的基本特征. 基于以上数值计算结果，建立了一个适用于颗粒材料 类固态、类液态以及其相变过程的本构方程，并通过剪切室实验结果验证了它的合理性.     

铜基非晶合金热效应和剪切模量变化起源

剪切模量在非晶合金黏性流动、扩散及结构弛豫等行为中起着重要作用. 宏观剪切弹性决定非晶合金热流变化.探索非晶合金在结构弛豫和玻璃转变过程中宏观力学性能与热流的关联有助于理解其力学行为起源. 本研究基于自间隙理论对Cu$_{49}$Hf$_{42}$Al$_{9}$非晶合金热流、剪切模量及黏度进行研究,建立剪切模量与热流之间的关联. 通过测量剪切模量精确测定自间隙缺陷浓度演化规律.从能量角度出发,通过激活能图谱探索自间隙缺陷浓度对非晶合金热力学性能的影响. 借助于动态力学分析仪研究非晶合金从室温到过冷液相区的动态弛豫行为,探索物理时效引起的结构弛豫以及内耗演化规律. 研究结果表明,自间隙理论可准确描述非晶合金的弛豫动力学、剪切软化及结构弛豫诱导的力学行为. 结合热流数据可以很好描述铸态和弛豫态非晶合金剪切模量随温度演化过程,激活能图谱直观表述了单位激活能可激活的自间隙缺陷浓度. 自间隙缺陷在结构弛豫中湮灭,表现为玻璃体系结构向更稳定状态迁移.在玻璃化转变过程中,缺陷浓度显著升高伴随热吸收,表现为原子大规模协同运动和剪切软化. 物理时效诱导非晶合金内耗和原子移动性降低. 过冷液相区内原子移动性高至消除了结构弛豫影响.      

考虑材料设计变量的热-固耦合结构的优化设计

从材料-结构协同设计的角度研究了热-固耦合结构的优化设计问题,将决定结构材料性质的细观参数与结构宏观几何参数作为设计变量,利用均匀化方法推导了细观设计变量灵敏度显式计算式,并结合耦合场有限元方程构造了耦合场设计变量灵敏度计算式;提出了材料-结构协同设计的三种优化设计模型.利用结构响应最小优化模型对算例进行了计算,比较了宏观设计变量优化和材料-结构协同设计优化的效果.计算结果显示,材料-结构协同优化设计可以取得较单一宏观设计变量更好的优化效果.     

基于微观结构非均匀性的非晶合金力学行为

非晶合金弛豫/晶化、玻璃转变、塑性变形等热力学和动力学行为都与其固有的结构非均匀性密切相关. 但是, 由于淹没在亚稳的长程无序结构中, 探究非晶合金的结构非均匀性十分困难. 尤其, 非晶合金微观结构非均匀性与其力学性能之间的本征关联是一个亟待解决的重要科学问题. 本文基于多尺度时空下的力学激励阐述非晶合金微观结构非均匀性特征与演化规律. 从实验、理论和数值模拟方面出发, 梳理了非晶合金微观结构非均匀性与弛豫机制和力学行为之间的关联. 最后, 针对非晶合金微观结构非均匀性与其物理/力学性能研究的方向提出了建议和展望.      

材料三维微结构表征及其晶体塑性有限元模拟

材料的力学性能，尤其是在有限变形下所呈现的宏观各向异性，是材料结构设计和服役寿命考虑的关键因素。由于宏观模型不能较好地反映材料微观结构（晶粒的形貌和取向等）对宏观塑性各向异性的影响，因此，本文建立了能实际反映晶粒形貌的三维Voronoi模型，并基于晶体塑性理论对铝合金在有限变形下的响应进行计算。首先，建立反映材料微结构的代表性体积单元RVE模型进行计算，并与实验结果进行对比验证。然后，以单向拉伸为例，分析了有限变形过程中试件的晶粒形貌和取向分布等微观因素对宏观各向异性演化的影响，并从材料和结构两个层面讨论了微观结构对宏观力学性能的影响。结果表明，本文模型能够反映微观结构对宏观力学性能的影响，为实际生产制造领域构件的力学性能提供可靠的预测。     

湍流的相干结构:推演方法和结果

本文讨论壁面湍流发展的相干结构的观点.在简要的历史文献综述后,我们回顾一些基本观点, 并且介绍相干结构的思想.基于大量主要是由实验所得的结果,本文通过广泛运用的事件检 测技术,探讨湍流边界层内部和外部区域发生的现象.我们从边界层内部区域发生的现象、 边界层外部大尺度运动的发展和涡结构动力学的角度来描述流动的现象.在文章的 第2部分,介绍从背景流动中推演出湍流相干结构的各种方法以及在各种方法框架下所得到的结果, 讨论速度梯度张量不变量、压力的Hessian矩阵分析和本征正交分解等方法.每一个过程 都有``相干结构'的特定的定义,满足恰当的数学构架,并可以对湍流数据做相干结构动力 学分析.这一工作可能会对当前流体动力学家在湍流研究中用到的最新理论和技术的传播有 所贡献.     

Evolution of functional connectivity in contact and force chain networks: Feature vectors,k-cores and minimal cycles

We analyze the rheological response, i.e., fabric and contact force evolution, of dense granular materials from a complex networks perspective. The strain evolution of three classes of subnetworks, i.e., k-cores, minimal cycles and force chain networks, elucidates the breakdown of functional connectivity and structure in the lead up to and during failure. Feature vectors and dynamics occurring in such networks in three different biaxially compressed two-dimensional samples reveal some common aspects which are suggestive of an intrinsic structural hierarchy in granular networks – while differences shed light on the influence of confining pressure and interparticle rolling resistance on the evolution of these networks both at the mesoscopic as well as macroscopic levels.     

Topological evolution in dense granular materials: A complex networks perspective

One of the great challenges in the science of complex materials – materials capable of emergent behavior such as self-organized pattern formation – is deciphering their “inherent” structural design principles as they deform in response to external loads. We have been exploring the efficacy of techniques from complex networks to the study of dense granular materials as a means to: (i) uncover such design principles and (ii) identify suitable metrics that quantify the evolution of structure during deformation. Herein, we characterize the developing network structure and loss of connectivity in a quasistatically deforming granular medium from the perspective of complex networks. Attention is paid to the evolution of the contact and contact force networks at the local or mesoscopic level, i.e., a particle and its immediate neighbors, as well as the macroscopic level. We explore network motifs and other topological properties at these multiple length scales, in an attempt to find that which best correlates with the constitutive properties of nonaffine deformation and dissipation, spatially and with respect to strain. Key processes or rearrangement events that cause loss of connectivity within the material domain, e.g. microbanding and force chain buckling, are investigated. Network statistics of these processes, previously shown to be major sources of energy dissipation and nonaffine deformation, are then tied to corresponding trends observed in the evolving macroscopic network. It is shown that consideration of the unweighted contact network alone is insufficient to tie dissipation to loss of material connectivity.     

Dynamic Inter-Particle Force Inference in Granular Materials: Method and Application

Inter-particle force transmission in granular media plays an important role in the macroscopic static and dynamic behavior of these materials. This paper presents a method for inferring inter-particle forces in opaque granular materials during dynamic experiments. By linking experimental measurements of particle kinematics and volume-averaged strains to forces, the method provides a new tool for quantitatively studying force transmission and its relation to macroscopic behavior. We provide an experimental validation of the method, comparing inter-particle forces measured in a simple impact test on two-dimensional rubber grains to a finite-element simulation. We also provide an application of the method, using it to study inter-particle forces during impact of an intruder on a granular bed. We discuss the current challenges for applying the method to both model materials and real geologic materials.     

岩土类颗粒物质宏-细观力学研究进展

岩土类颗粒物质在自然界、工程建设以及日常生活中普遍存在,其运动特性的研究在力学界已经开展了几十年.在近20年开展的一系列小尺寸物理实验中,颗粒物质表现出许多新奇现象,人们从物理角度开展了系统研究,在统计力学中,颗粒固体的流体动力学等理论研究以及实验检测技术等方面都取得突破性进展,深刻地揭示了颗粒材料的物理机制,促使力学...