颗粒物质中圆棒受到的静摩擦力

通过实验研究了圆棒在颗粒物质中受到的摩擦力与颗粒填充高度及棒径的关系.观测到摩擦力随颗粒高度和棒径而增大.用连续介质模型推导了摩擦力公式，与实验观测基本一致.结果表明，摩擦力和棒径成正比；当颗粒高度很小时，摩擦力与颗粒高度平方成正比；而当颗粒堆积很高时，摩擦力与高度成正比，即静摩擦力与接触面积成正比. 关键词： 颗粒物质 摩擦力     

离散颗粒层被横向推移过程中的力学行为研究

研究发现,颗粒物质层被匀速推移挤压过程中,所需推移力先以线性规律增加,在某一确定点后,则会以指数规律增加.而颗粒物质是由众多离散颗粒组成的软凝聚态物质,其宏观上反映的是离散颗粒的个体性质和凝聚态物质的集体效应.颗粒与颗粒之间以及颗粒与边界之间的细观尺度接触力链的构成以及演变规律将会直接影响各种宏观受力情况,其摩擦力与挤压力便是力链的主要构成形式.围绕着定量描述细观力链特征,从而揭示力的变化规律这一目标,采用计算机模拟的方法,依照球形颗粒Hertz法向接触理论和Mindlin-Deresiewicz切向接触理论,对重力作用下不同数目的三维等径球体颗粒层的推移情况进行了离散元仿真模拟,量化分析了推移力变化规律、各摩擦力变化规律以及力链分布规律,发现摩擦力与挤压力在颗粒堆积的不同阶段对力链的构成起到了不同的主次作用,使得力链发生强弱演变,从而发现了推移颗粒物质层时推移力的变化规律及原因.这些结果有利于从力链角度揭示颗粒内部和颗粒与各边界之间的受力情况.     

颗粒物质中的空洞效应

通过实验研究了颗粒体系内部的空洞对整个颗粒体系的影响.当在颗粒体系中向上提拉探测棒时,棒下端即刻产生空洞.由于空洞的存在,将导致整个颗粒体系内部结构的崩塌,崩塌的情况可通过测定棒受到的摩擦力来研究.实验发现整个体系崩塌的时间t与空洞产生的深度h间存在着一个指数的对应关系,即t正比于exp(h/λ),并且这个关系不随颗粒尺寸的变化而改变.同时,还进行了二维的辅助实验,对颗粒体系内部的情况进行了较为细致的观察.     

粮仓效应的实验设计

设计制作了观测静态颗粒物质粮仓效应的简单实验系统.实验数据充分地展现了颗粒物质与筒仓壁之间摩擦力的“巨大”作用以及具有流动性质的颗粒物质与静态流体的显著差别,且实验结果与理论计算吻合很好.     

不同堆构条件下颗粒柱有效质量的涨落

利用静态颗粒特性实验仪研究了不同堆构条件下颗粒柱有效质量的涨落.发现当只有一种颗粒堆构时涨落随着颗粒柱与颗粒的直径比的增大而减小,除此之外,当有不同颗粒堆构时涨落还随着不同大小颗粒的堆构位置而变化,可将这种现象的机理归结为颗粒柱中的颗粒数量的异同以及颗粒柱与限界之间摩擦力方向的不确定性.     

摩擦力对非弹性蹦球倍周期运动的影响

分析了摩擦力对竖直振动台面上完全非弹性蹦球动力学行为的影响.当控制参数Γ由1逐渐增大时,作用在蹦球上的恒定摩擦力不会改变倍周期分岔的序列,但会使倍周期分岔点的数值变大.与无摩擦力时的情况相比,在飞行时间的分岔图中也存在倍周期分岔密集区,只是被横向拉伸纵向压缩,且具有不同的分形特性.与受振颗粒体系中的倍周期分岔过程做了比较,发现当摩擦力取值为颗粒总重量的20%—30%时两者符合很好.     

器壁滑动摩擦力对受振颗粒体系中冲击力倍周期分岔过程的影响

颗粒物质由离散的固体颗粒组成, 受到周期性振动时可以表现出复杂的动力学行为. 这些行为往往受众多因素的影响, 如空气阻力和器壁摩擦力等. 针对受振颗粒体系中冲击力的倍周期分岔现象, 通过抽真空或将容器底镂空消除空气阻力, 单独研究器壁滑动摩擦力的影响. 结果表明在仅有器壁摩擦力作用的情况下, 倍周期分岔过程仅受约化振动加速度的控制, 与颗粒的尺寸、颗粒层数及振动频率无关. 将器壁摩擦力处理成一个大小恒定、方向与颗粒和器壁相对速度反向的阻力, 并包含到完全非弹性蹦球模型中, 能够对所观察到的现象给出很好的解释. 通过对倍周期分岔点测量平均值的拟合, 得到器壁滑动摩擦力的大小约为颗粒总重量的10%. 关键词： 颗粒物质 器壁摩擦力 倍周期分岔 冲击力     

运动物体在颗粒物质中的动力学过程及最大穿透深度仿真研究

利用离散元法仿真了运动物体在颗粒物质中的三维动力学过程, 仿真采用周期边界条件, 并考虑了重力、接触力、阻尼力、摩擦力的影响. 将仿真结果和相关的三维实验结果进行了对比, 两者符合较好. 仿真结果表明穿透深度与运动物体的冲击速度、运动物体质量、颗粒介质床的密度均有关系. 运动物体质量越大, 速度越快, 则穿透越深, 而且穿透深度和质量呈线性关系. 仿真过程较为真实地再现了小颗粒的飞溅现象. 关键词： 颗粒物质 动力学过程 仿真 离散元法     

颗粒速度在颗粒流稀疏流-密集流转变中的作用

用实验和计算模拟的方法研究了颗粒流中的颗粒速度与颗粒流特性的关系.实验研究发现当入口流量固定时，在出口上方高速运动的颗粒会使颗粒流由稀疏流向密集流转变的临界出口尺寸变小.当颗粒流转变为密集流后，颗粒速度的作用被出口上方的颗粒堆积区所消耗，最终变得与颗粒速度无关.二维分子动力学模拟计算得到了与实验相同的结论.通过二维分子动力学模拟计算，还给出了不同颗粒速度下体系的密度和速率在空间的分布图.这些分布图显示随着颗粒到达出口上方的瞬间速度的不同，颗粒堆积区的密度和高度均会改变，并最终导致颗粒流流动状态的改变. 关键词： 颗粒流 颗粒气体 分子动力学模拟     

颗粒材料上运动物体所受摩擦力的数值模拟

通过数值模拟,考察一定重量的平板在水平颗粒物质层上做匀速运动所引起的剪切颗粒流,并关注其与平板的摩擦力及等效摩擦系数.数值结果表明,等效摩擦系数不是常数,与平板的运动速度有关.这与通常的固体与固体之间剪切作用时所满足的摩擦定律不同,体现了颗粒系统的特殊力学行为.     

二维晶格颗粒堆积中侧壁的压力分布与转向系数

颗粒物质是大量颗粒聚集在一起的软凝聚态物质, 其微观结构与宏观力学性质的联系非常复杂. 本文用实验的方法观测了二维竖直晶格堆积颗粒, 在竖直方向外加正压力作用下其侧壁的受力分布情况, 根据实验结果详细讨论和分析了颗粒体系中正压力的转向行为. 实验结果表明: 在缓慢压缩颗粒体系的过程中, 正压力的变化呈现非线性和线性两段不同的规律; 对于确定堆积结构的颗粒体系, 竖直方向施加的正压力通过颗粒力链转向, 且水平方向不同堆积高度处所受压力值不同, 中部的压力大于顶部和底部的压力; 转向系数k的饱和值随堆积角θ 的增大而减小. 对颗粒堆的几何结构与受力情况进行分析, 给出了转向系数与堆积角之间的数学表达式, 理论值与实验值符合较好.     

颗粒物质中静摩擦力与接触面形状有关

用实验方法研究了探测棒在颗粒物质中受到的最大静摩擦力与棒截面形状的关系.观测到圆棒受到的最大静摩擦力最大,方棒次之,扁棒最小.根据力的传递原理,分析棒形状对颗粒物质内部力链传递的影响,计算结果与实验基本吻合.     

颗粒堆密度变化对堆底压力分布的影响

报道当一无黏性颗粒堆的中间部分密度略小于两边，从而使中部的弹性强度明显低于两边时，堆底的压力分布将在中间出现低陷.对从一固定点（或线）缓慢散落颗粒而形成的圆锥形（或楔形）堆，这一微小的密度变化可能来自颗粒沿堆边滚落时对堆产生了一定的扰动拍紧效应.计算表明用考虑了体弹模量随空间变化的弹性理论能很好地再现出观测到的压力分布. 关键词： 颗粒堆 应力分布 弹性理论     

湿颗粒堆力学特性的离散元法模拟研究

利用基于线性黏聚接触模型的离散元法对不同颗粒系统的堆积过程进行了数值模拟研究,分析了颗粒形状和湿颗粒间液桥力对颗粒堆积形态的影响机理,获得了球形和块状湿颗粒堆基底表面所受的法向力以及堆中颗粒间的法向力和切向力"中心凹陷"式的分布规律,讨论了颗粒形状和黏聚能量密度对基底表面作用力和颗粒间作用力的影响.研究结果表明,颗粒形状和液桥力对颗粒堆的堆积形态具有显著的影响.堆积角随着黏聚能量密度的增加而增大,并且相同条件下的块状颗粒堆积角大于球形颗粒.颗粒形状和黏聚能量密度对基底表面所受作用力和堆中颗粒间的作用力变化及最大幅值均有影响作用.当黏聚能量密度值逐渐增大时,颗粒堆的作用力最大幅值均逐渐增大,并且块状颗粒堆的作用力最大幅值大于球形颗粒堆.当黏聚能量密度值过大时,颗粒堆力学特性更加复杂,液桥力对颗粒堆积特性的影响作用大于颗粒形状的影响.     

用探测棒研究颗粒堆中的最大静摩擦力

实验研究了筒仓内颗粒堆中部的竖直探测棒被提拉时受到的最大静摩擦力F.研究发现：当筒仓半径R小于0.040　m时， F随R的增加而减少，当R大于0.045　m时，F几乎不受R的影响. F随颗粒堆高度h变化的实验数据可以用公式F=A［h+B(e^-h/B-1)］拟合，拟合参数A与探测棒横截面形状及备制颗粒堆的流量有关，拟合参数B与备制颗粒堆的流量有关. 关键词： 颗粒物质 静摩擦力 数据拟合     

粮仓效应的圆盘堆积模型

为研究圆筒中颗粒堆内部的应力分布，将颗粒堆简化为规则的二维圆盘堆积模型．对圆盘堆积中力的传递进行分析后给出了圆盘堆积中力的传递规律，利用计算机模拟了圆盘对容器底部的压力，发现底部压力随圆盘层数增加会达到饱和，并将二维圆盘堆积的规律推广到三维颗粒堆，从理论上推导出容器底部平均压强p^-与颗粒填充高度Z的关系．     

基于离散元方法的颗粒材料缓冲性能及影响因素分析

在冲击荷载作用下, 颗粒材料通过颗粒间的摩擦及非弹性碰撞可有效进行能量耗散实现缓冲作用. 本文采用离散元方法对冲击载荷下颗粒材料的缓冲过程进行数值分析, 研究不同厚度下颗粒材料的缓冲性能. 计算结果表明: 颗粒层厚度H是影响颗粒材料缓冲性能的关键因素, 并存在一个临界厚度H_c. 当H < H_c时, 冲击力随H的增加而降低; 当H > H_c时, 冲击力对H的变化不敏感并趋于稳定值. 此外, 在不同颗粒摩擦系数和初始密集度下对缓冲过程的离散元分析表明, 光滑和疏松颗粒材料具有更好的缓冲性能. 最后, 对颗粒材料在冲击过程中的力链结构和底板的压力分布进行了讨论, 以揭示颗粒材料缓冲性能的内在机理.     

准静态颗粒流流动规律的热力学分析

本文分析了颗粒流的介观结构及其特征,提出了颗粒流的双颗粒温度概念Tkin和Tconf,表征颗粒无序运动和构型无序演化的程度;进而作为非平衡变量,与经典非平衡热力学(classical irreversible thermodynamics,CIT)变量共同构成颗粒流的热力学状态变量集,确定了颗粒流的能量转换规律和熵产生率等,发展了颗粒流双颗粒温度(two granular temperate,TGT)模型.以体积恒定的简单剪切准静态颗粒流为例,结合离散元模拟(discrete element method,DEM),确定了双颗粒温度模型所需的材料参数,分析了颗粒流发展段的规律和稳恒段的有效摩擦系数.     

颗粒物质在冲击作用下的堆积分布

沙堆在冲击作用下的行为和静态沙堆的行为有着很大的不同.通过管道产生“高斯冲击”(速度水平分量成高斯分布)来研究沙堆堆积时的分布情况，发现沙堆自身的稳定性和外界冲击是影响沙堆形状的两大重要因素.给出了沙堆在冲击作用下高度随时间的演化方程.通过该方程，成功地得到了沙堆中心点的高度与外界参量之间的关系，并且提出了一种节能高效的颗粒混合方法. 关键词： 颗粒物质 堆积 高斯分布 冲击