准二维湿颗粒体系融化过程中的结构与缺陷

研究颗粒体系中的结构与缺陷对于研究固-液融化的物理机制具有重要的价值.本文实验研究了垂直振动下单层湿颗粒在固-液融化过程中的结构与缺陷.根据实验及理论分析构建了湿颗粒体系的接触模型,量化了准二维湿颗粒体系融化过程中颗粒的结构变化.然后以颗粒为点建立Voronoi图对颗粒体系的"相"转变进行研究,并引入了局部体积分数来确定融化过程中缺陷变化的临界状态.实验结果表明,颗粒系统在团簇的边缘开始发生缺陷,并呈现链状的缺陷对向中心蔓延的现象.并且,颗粒发生缺陷时七相缺陷颗粒的局部体积分数显著减小,明显小于五相缺陷和六角相颗粒的局部体积分数.对局部体积分数的分析表明,当最小局部体积分数φ≤0.6652时发生缺陷,当φ≤0.4872时颗粒系统发生从固体到液体的转变.     

面内双轴应力作用下单层黑磷能带性质研究

通过第一性原理对平面内双轴应力作用下的单层黑磷能带结构进行了计算.双轴拉伸应力作用下单层黑磷始终保持直接带隙性质,双轴压缩应力作用下的单层黑磷则发生了直接带隙转变为间接带隙的现象,当双轴压缩应力增加到7%时单层黑磷带隙闭合.     

面内双轴应力作用下单层黑磷能带性质研究

通过第一性原理对平面内双轴应力作用下的单层黑磷能带结构进行了计算.双轴拉伸应力作用下单层黑磷始终保持直接带隙性质,双轴压缩应力作用下的单层黑磷则发生了直接带隙转变为间接带隙的现象,当双轴压缩应力增加到7%时单层黑磷带隙闭合.     

摩擦颗粒体系各向同性压缩过程中的堵塞行为

利用分子动力学方法,模拟了5000个表面轻微摩擦(μ=1×10^-4)的弹性颗粒组成的体系在各向同性压缩过程中的堵塞(jamming)现象,研究了颗粒体系对边壁压强P和对关联函数第一个峰的高度g₁随体积分数φ的变化规律. 结果表明,当体系的体积分数φ大于临界体积分数φ_c时,P(φ)曲线表现出明显的黏滑(stick-slip)行为,法向的力-力关联函数、切向的力-力关联函数和颗粒的位置-位置关联函数同时发生跳变,说明宏观黏滑现象源自内部的力位形和几何构形的调整. 体系在φ缓慢增大过程中得到了不同的堵塞态,随着颗粒粒径的缓慢减小,体系得以松弛(unjamming),实现松弛过程并得到相应的φ_c. 对于不同堵塞态,其边壁压强P与φ-φ_c遵从幂律标度P∝(φ-φ_c)^0.964. 关键词： 堵塞相图 对关联函数 力-力关联函数 标度规律     

双轴应变条件下单层MoSe2电子结构和拉曼光谱的第一性原理计算

二硒化钼的层间相互作用强,单层结构具有更低的带隙和更好的稳定性.由于独特的光学性质和优异的电学性能受到研究人员的广泛关注.本文基于密度泛函理论的第一原理,计算和分析了在双轴拉伸压缩应变条件下单层MoSe₂能带结构,拉曼光谱和声子谱的变化规律以及性质产生的原因.在拉伸压缩应变作用下,直接带隙转变为间接带隙.当拉伸应变达到12%时,材料发生半导体-金属相变.当压缩应变达到6%时,声子谱中开始出现虚频率,表明结构开始变得不稳定.     

直剪颗粒体系声波探测

建立了声波监测系统,探测颗粒体系在直剪过程中声速与剪切应力的变化关系.发现声速在剪切开始后随着剪切应力的增加会迅速减小.而在应力达到屈服点之后,声速变化逐渐变缓并趋近于一个稳定值.剪切作用对声速变化的影响小于20%,而非所预测由于剪切带的形成,声波(尤其是横向波)的振动无法通过剪切带而使得探测的飞行速度变为零.这是由于直剪的应变率甚低于声波的频率,直剪的颗粒体系可被视为局部区域膨胀的准静态的弹塑固体.结合等效介质理论和颗粒弹性理论对以上结果进行了解释和讨论.     

纳米尺度下流体剪切流动的分子动力学模拟

利用分子动力学方法模拟流体在两无限大平板间剪切流动过程。研究通道内加入不同体积分数纳米颗粒、体积分数相同纳米颗粒数目不同以及剪切速度对流体密度、速度以及界面滑移的影响。结果表明:近壁区流体数密度呈衰减振荡分布,由近壁区到主流区振幅逐渐减小,颗粒和流体的整体数密度在中心主流区呈抛物线分布。流体剪切应变率随颗粒体积分数的增加逐渐减小,同时剪切应变率和滑移速度之间呈近似线性分布。体积分数相同颗粒数目不同,颗粒在运动过程中呈线,性排列时,剪切应变率最大。随剪切速度的增加,流体滑移速度和滑移长度随之增大,但滑移长度增加量相对较小。     

二维颗粒体系单轴压缩形成的力链结构

从接触力、能量分布和接触网络结构特点出发,提出了强力链的力大小(Fc)判据(Fc大于平均接触力〈F〉)和角度θc判据(θc=180/〈Z〉,其中〈Z〉是平均配位数),指出强力链和弱力链是本质不同的两类结构存在于颗粒体系中,其中强力链网络与体系的宏观性质直接相关.以二维颗粒体系的单轴压缩为例,计算发现了强力链长度的幂率分布规律,分析了侧向压力系数与相应强力链网络结构的关系:当内部强力链网络充分发育而不再变化时,侧向压力系数趋于稳定数值.     

一维应变加载下单晶铁结构转变的微观研究

采用嵌入原子势和分子动力学方法,模拟了单晶铁在一维应变条件下由体心立方（bcc）转变为六角密排（hcp）结构的微观过程. 当应变加载至相变临界值时,hcp相开始均匀形核并沿{011}晶面长大为薄片状体系.弹性常数C₃₁和C₃₂在相变前被逐渐硬化,C₃₃则在相变前出现软化行为;当体系完全相变后,上述各弹性常数显示开始随体积压缩而迅速硬化,温度效应对晶格具有软化作用,可削弱C₃₃的硬化和软化过程;样品在压缩过程可出现孪晶结构,孪晶结构使晶格发生剪切变形.混合相中,hcp相势能比bcc相高,最大剪应力方向与bcc相反向;系统的偏应力与hcp相质量分数近似呈线性关系. 关键词： 结构转变 分子动力学 一维应变     

密集剪切颗粒流中速度波动和自扩散特性的离散元模拟

分析了平行板间密集剪切颗粒流的平均速度、速度波动、区域划分和自扩散特性.为了分析以上问题,建立了平均固体体积分数为0.80剪切平行板间密集颗粒流的离散元物理模型.研究结果表明:间隙间颗粒的平均速度从上到下逐渐增大,波动速度恰好相反;纵向的平均速度、波动速度较小,这一点稀疏剪切颗粒流正相反;根据剪切率和平均速度大小把间隙间纵向区域依次划分为类固体、振荡和类流体区域,并得出了波动速度对剪切率的依赖关系;间隙间颗粒的自扩散主要集中在横向,而稀疏剪切颗粒流在纵向的自扩散同样较突出.通过对流变和扩散特性的模拟分析,直观地反映了颗粒的微观流变特性,有益于密集剪切颗粒流的流变机理的研究.     

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.     

静态堆积颗粒中的力链分布

颗粒物质是由众多离散颗粒组成的软凝聚态物质,涉及多个物理层次结构和机制,是多尺度问题. 首先阐述了颗粒物质多尺度力学的研究框架,指出颗粒间接触力链构成的细观尺度是核心,颗粒物质显示出的独特静态堆积特性和动态流变特性都与细观尺度力链的复杂演变规律直接相关. 围绕着定量描述力链特征这一目标,采用严格的球形颗粒Hertz法向接触理论和Mindlin-Deresiewicz切向接触理论,对重力作用下12000个球心共面的二维等径颗粒静态堆积进行了离散动力学模拟,对力链分布特征、接触力规律等做了量化分析,考察了颗粒 关键词： 颗粒物质 力链 离散模型 多尺度力学     

剪切振动下湿颗粒的力学谱

在恒温25 ℃剪切振动条件下,测量不同水分含量的NaCl湿颗粒体系的力学谱（能量耗散tanφ和剪切模量G）.研究发现,随着剪切振幅增大,NaCl湿颗粒体系的剪切模量G和能量耗散tanφ都表现出类似于干颗粒体系的阻塞（Jamming）转变行为.随着体系中水含量的增大,湿颗粒体系的剪切模量G和能量耗散tanφ在质量分数约等于11%的临界水浓度下均出现一个峰值,且峰位与应变振幅无关,表明此时颗粒之间主要的作用力发生了变化.     

颗粒尺寸分散度对颗粒体系力学和几何结构特性的影响

利用颗粒离散元方法, 研究了由2048个光滑颗粒组成的体系在各向同性压缩条件下, 颗粒尺寸分散度s对颗粒体系力学和几何结构特性的影响. 结果表明: 配位数、剪切模量、静态结构因子以及取向序关联函数等都随分散度的变化而变化, 而力的累积分布不受分散度的影响. 其中, 单分散体系(亦即s=0)的静态结构因子在低波数区域(亦即低k)遵从幂律标度S(k)∝0.2k^-4/3, 各分散度下取向序关联函数峰值符合e指数变化规律g₆(r)∝ae^-r/ξ₆, 其中序关联长度ξ₆随分散度s增大而减小. 关键词： 颗粒物质 尺寸分散度 结构因子 取向序关联     

冲击荷载下颗粒物质缓冲性能的试验研究

颗粒物质是一种复杂的能量耗散体系. 颗粒间的摩擦和黏滞作用可使冲击荷载引起的能量有效衰减, 颗粒间的力链结构又可将瞬时局部冲击荷载进行空间扩展和时间延长, 达到良好的缓冲效果. 为研究颗粒物质对冲击荷载的缓冲性能, 本文采用重力作用下球体冲击筒内颗粒物质的试验系统, 研究了筒体底部作用力在颗粒材料、颗粒厚度等因素影响下的变化规律. 试验结果表明: 非规则颗粒具有更加良好的缓冲性能, 粗颗粒的缓冲性能略高于细颗粒. 颗粒厚度H是影响缓冲性能的重要因素, 并存在一个临界厚度H_c. 当H<H_c时, 缓冲性能随H的增加而增强; 当H>H_c时, H对缓冲效果的影响不再显著. 以上研究是在同一冲击能量下进行的, 而对于不同冲击能量下的H_c还需要深入开展. 通过颗粒物质对冲击荷载缓冲性能的试验研究, 可揭示颗粒材料的基本物理力学行为, 为其在缓冲减振领域中的应用提供依据.     

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.     

Force chain buckling,unjamming transitions and shear banding in dense granular assemblies

Force chain buckling, leading to unjamming and shear banding, is examined quantitatively via a discrete element analysis of a two-dimensional, densely-packed, cohesionless granular assembly subject to quasistatic, boundary-driven biaxial compression. A range of properties associated with the confined buckling of force chains has been established, including: degree of buckling, buckling modes, spatial and strain evolution distributions, and relative contributions to non-affine deformation, dilatation and decrease in macroscopic shear strength and potential energy. Consecutive cycles of unjamming–jamming events, akin to slip–stick events arising in other granular systems, characterize the strain-softening regime and the shear band evolution. Peaks in the dissipation rate, kinetic energy and local non-affine strain are strongly correlated: the largest peaks coincide with each unjamming event that is evident in the concurrent drops in the macroscopic shear stress and potential energy. Unjamming nucleates from the buckling of a few force chains within a small region inside the band. A specific mode of force chain buckling, prevalent in and confined to the shear band, leads to above-average levels of local non-affine strain and release of potential energy during unjamming. Ongoing studies of this and other buckling modes from a structural stability standpoint serve as the basis for the formulation of internal variables and associated evolution laws, central to the development of thermomicromechanical constitutive theory for granular materials.     

Transients in sheared granular matter

As dense granular materials are sheared, a shear band and an anisotropic force network form. The approach to steady-state behavior depends on the history of the packing and the existing force and contact network. We present experiments on shearing of dense granular matter in a 2D Couette geometry in which we probe the history and evolution of shear bands by measuring particle trajectories and stresses during transients. We find that when shearing is stopped and restarted in the same direction, steady-state behavior is immediately reached, in agreement with the typical assumption that the system is quasistatic. Although some relaxation of the force network is observed when shearing is stopped, quasistatic behavior is maintained because the contact network remains essentially unchanged. When the direction of shear is reversed, a transient occurs in which stresses initially decrease, changes in the force network reach further into the bulk, and particles far from the wheel become more mobile. This occurs because the force network is fragile to changes transverse to the force network established under previous shear; particles must rearrange before becoming jammed again, thereby providing resistance to shear in the reversed direction. The strong force network is re-established after displacing the shearing surface , where d is the mean grain diameter. Steady-state velocity profiles are reached after a shear of . Particles immediately outside of the shear band move on average less than 1 diameter before becoming jammed again. We also examine particle rotation during this transient and find that mean particle spin decreases during the transient, which is related to the fact that grains are not interlocked as strongly.Received: 5 March 2004, Published online: 24 August 2004PACS: 45.70.-n Granular systems - 83.80.Fg Granular solids     

玻璃-橡胶混合颗粒的力学响应研究

通过直剪实验和离散元模拟, 研究掺杂了橡胶软球的玻璃体系的力学响应. 改变颗粒固体中橡胶颗粒的含量, 研究体系剪切强度以及剪胀变化等特性, 发现随着橡胶颗粒的增加, 会出现剪胀到剪缩的相转变现象, 且混合颗粒固体的弹性有了很大的提高. 实验研究发现, 随着体系中橡胶颗粒含量的增加, 剪切屈服强度值逐渐减小, 体积发生从剪胀到剪缩的相转变现象, 但临界剪切强度在一定橡胶颗粒含量范围内保持一致; 实验所采取的剪切速率下, 应力应变曲线能较好重合, 即实验处于率无关区域; 混合样品的屈服强度值随正压力的增大而增大. 离散元模拟也得到了上述结果, 另外模拟还发现, 随着橡胶颗粒含量的增加, 颗粒的平均配位数增大; 橡胶颗粒含量和正压力对剪胀-剪缩相转变的位置有影响, 橡胶颗粒含量较小时, 在较大的正压力下易发生相转变现象, 且剪胀-剪缩相转变点对应的平均配位数在5.6-5.9之间; 在橡胶颗粒含量小于30%时, 混合颗粒样品的残剪强度与不掺杂的颗粒体系相近; 大于30%时, 残剪强度随橡胶颗粒含量的增加而减小; 残剪强度随正压力加大而增加.