竖直振动颗粒床中的倍周期运动

实验研究了竖直振动颗粒床中颗粒对容器底部的压力随振动强度的变化情况.发现压力随振动加速度的增加经历倍周期分岔，典型的分岔序列为：2P，4P，混沌，3P，6P，混沌，4P，8P，混沌.观察表明，伴随倍周期分岔现象，在颗粒床底部出现颗粒的聚集态.聚集态内颗粒密堆积在一起并作整体的上下运动.采用完全非弹性蹦球模型分析了颗粒对容器底的冲击力，并给出了倍周期分岔现象的一种解释. 关键词： 颗粒物质 混沌 倍周期分岔 非弹性碰撞     

窄振动颗粒床中的运动模式

实验研究了竖直振动情况下,窄容器中颗粒的运动模式.发现运动模式与颗粒床厚度及振动加速度有很强的依赖关系.实验表明横向尺寸较小的容器可以抑制对流卷及拱起现象.对于足够厚的颗粒床,即使振动加速度很大,颗粒床下部仍然存在着颗粒聚集态.出现聚集态时,颗粒床对容器底的冲击力是倍周期分岔的.实验表明倍周期分岔点与颗粒床厚度无关.对于较薄的颗粒床,颗粒可以是聚集态或对流卷,视颗粒尺寸而定.如果使用尺寸分布非常窄的球形颗粒,可以观察到颗粒的有序排列.出现同心的圆筒形“壳”结构,每个“壳”上的颗粒是二维六角密排列的. 关键词： 颗粒物质 倍周期分岔 颗粒聚集态 球堆积     

完全非弹性蹦球倍周期运动的分形特征

一个落在振动台面上的完全非弹性球的运动是倍周期的.倍周期分岔过程受约化振动加速度的控制，倍周期分岔图由疏密相间的区域构成.在密集区内，倍周期分岔过程敏感地依赖于控制参数，呈现出复杂的几何结构.分析了密集区的分形特性，并计算了各密集区的分维数.结果表明密集区的分维数是依次增大的，逐渐趋于一个约为1.8的常数. 关键词： 蹦球 倍周期分岔 分形 颗粒物质     

完全非弹性蹦球的动力学行为

对振动台面上的完全非弹性球的蹦跳行为进行了初步分析.受约化振动加速度的控制，球的运动可以表现出一系列倍周期分岔过程.对几种典型的倍周期运动及分岔情况进行了讨论. 关键词： 蹦球 倍周期分岔 混沌 颗粒物质     

振动颗粒物质中倍周期运动对尺寸分离的影响

实验研究了竖直振动颗粒床中，倍周期运动对尺寸分离的影响.实验中，当振动加速度足够大时，系统中出现稳定的对称对流，进一步增大振动加速度到某个临界值时，还会出现倍周期运动.观察表明，背景颗粒的对流运动对分离过程起主导作用，对流速度决定着分离过程的快慢，而在2倍周期和4倍周期分岔之后，分离时间有所减慢.对引起对流运动的起因进行了分析，以此为基础分析了倍周期运动产生影响的物理机理，并对分离时间进行了定量计算，结果与实验值符合很好. 关键词： 颗粒物质 “巴西果”效应 倍周期分岔 对流     

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     

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.     

随机激励下二自由度碰撞振动系统的响应分析

研究了一类二自由度碰撞振动系统在随机噪声激励下的响应问题.展示了这种非光滑系统在倍周期分岔通向混沌的道路中存在的擦边分岔行为.通过定义一种随机响应的度量，讨论了随机噪声对于系统响应的影响，并发现在某些参数条件下，随机噪声对于系统响应的影响是明显的，甚至改变了运动的性质.数值模拟表明此法是研究噪声激励下非光滑系统响应的一种有效方法. 关键词： 非光滑系统 二自由度碰撞振动系统 擦边分岔 倍周期分岔     

logistic模型的倍周期分岔控制

研究了logistic模型的倍周期分岔的控制问题，设计了各种线性控制器，得到了系统在控制前和控制后的分岔图，改变了动力系统的分岔特性.根据实际的应用目的可以设计不同的控制器，使倍周期分岔延迟或提前出现，甚至消失.适当选择控制器增益可以使分岔控制的效果更好. 关键词： logistic模型 倍周期分岔 分岔控制 控制器     

空气阻力对完全非弹性蹦球动力学行为的影响

一个在振动台面上蹦跳的小球具有复杂的运动形式，如倍周期分岔和混沌．如果球与台面间的碰撞是完全非弹性的，则球的运动是倍周期的，不存在混沌．在分岔相图中，鞍一结不稳定性引入“平台”结构，同时存在倍周期轨道的密集区．这里将研究空气的黏滞阻力对完全非弹性蹦球动力学行为的影响．分析表明，空气阻力很弱时，分岔序列不受影响，但分岔点的数值变大，“平台”和密集区加宽．空气阻力较大时，“平台”与密集区重叠．重叠区内原有产生倍周期运动的机理被破坏，球的运动是混沌的．     

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.     

Air-Driven Segregation in Binary Granular Mixtures with Same Size but Different Densities

We investigate the segregation effect of binary granular mixtures with the same size but different densities under vibration at different air pressures. Our experiments show that the segregation state is seriously dependent on the air pressure and there is a new type of partially segregated state at high air pressure, which has the characteristic that the lighter grains tend to stay at the bottom and form a pure layer, while heavier grains and remained lighter ones tend to rise and to form a mixed layer on the top of the system. We redefine the order parameter to study the variation of the segregation effect with the air pressure and vibration parameter in detail. Finally, the mechanism of the air-driven segregation is illustrated by the faster acceleration due to the airflow through the granular bed for lighter particles.     

一种颗粒底部压力不趋向饱和的粮仓系统

随着深度的增加竖直圆筒容器中的颗粒物质会把自己的重量逐渐转移到容器的侧墙壁上，使容器底部的压力出现不随筒中颗粒材料高度的增加而增加的饱和现象.但值得注意的是，圆筒中的颗粒柱体并不总是表现为这个称为粮仓效应的力学状态.例如当改变侧墙壁的力学环境使其无法承担颗粒的重量时，柱底部的压力显然将随其高度的增加而线性地增加.本文分析讨论了Janssen模型假设对这类处于静力平衡下，但违反粮仓效应的颗粒系统的行为预测. 关键词： 颗粒物质 粮仓 静摩擦 应力     

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.     

二维颗粒堆积中压力问题的格点系统模型

为了便于从理论上探究粮仓效应产生的机理,处理筒仓中颗粒介质的应力分布等问题,将二维颗粒堆积简化为格点系统,并且以随机堆积为物理背景提出了一个由吸收系数p及侧向传递系数q决定的力传递模型.给出了矩阵形式的力传递方程,提出基于二阶差分方程的方法同时求解传递系数矩阵的特征值和特征向量,从理论上导出了一种典型情况下容器底部压力分布与顶部压力分布的关系式.对有效质量随总质量变化关系的理论分析表明,该模型可以给出与Janssen模型类似的结果.对无负载情况下的底部应力分布进行了理论计算,结果表明容器底部中央应力最大,离中央越远应力越小.运用数值计算讨论了p与q对容器底部压力随堆积高度变化曲线的影响.     

Janssen's law and stress fluctuations in confined dry granular materials

In order to clarify the mechanisms which determine the Janssen's law for the pressure distribution at the bottom of a silo we reconsider the so-called q-model describing an assembly of granular particles on a lattice, confined between vertical walls. We find that the expected macroscopic behavior with the correct scaling is obtained whenever a mechanism able to transfer the weight from the interior of the silo to the walls in an efficient way is present, i.e., in mean field regime. Deviations from the Janssen law's found in lattice models are due to the absence of this efficient mechanism. We investigate the scaling properties of a stick-slip model recently introduced, and find that relative fluctuations do not disappear for large systems and are of the order of average values. Finally we observe that an exponential local weight distribution at the bottom of the silo is independent of the model considered.     

Effects of Continuous Size Distributions on Pressures of Granular Gases

Direct Monte Carlo simulations are employed to investigate the granular pressures in granular materials with a power-law particle size distribution. Specifically, smooth circular discs of uniform material density are engaged in a two-dimensional rectangular box, colliding inelastically with each other and driven by a homogeneous heat bath at zero gravity. The resulting pressures are found to decrease as the widths of particle size distribution are increased. Moreover, the granular pressures in power-law systems are found to be unequally distributed among the various sizes of particles, with large particles possessing more pressure than their smaller counterparts. The width-dependent nature of the total pressures is induced by the more dispersion of smaller particles in the system as the particle size distribution is widened.     

Competition of Brazil nut effect,buoyancy, and inelasticity induced segregation in a granular mixture

It has been recently reported that a granular mixture in which grains differ in their restitution coefficients presents segregation: the more inelastic particles sink to the bottom. When other segregation mechanisms as buoyancy and the Brazil nut effect are present, the inelasticity induced segregation can compete with them. First, a detailed analysis, based on numerical simulations of two dimensional systems, of the competition between buoyancy and the inelasticity induced segregation is presented, finding that there is a transition line in the parameter space that determines which mechanism is dominant. In the case of neutrally buoyant particles having different sizes the inelasticity induced segregation can compete with the Brazil nut effect (BNE). Reverse Brazil nut effect (RBNE) could be obtained at large inelasticities of the intruder. At intermediate values, BNE and RBNE coexist and large inelastic particles are found both near the bottom and at the top of the system.