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.     

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.     

中国铁路客运网网络性质的研究

中国铁路客运系统可以采用两种不同的网络构建方式来描述. 一种是以铁路的站点作为“节点”，并以轨道作为“边”，这样生成的网络称为铁路地理网. 统计显示该网络的平均群聚系数〈C〉近似为零，故该网络为树状网络. 另一种是以站点作为“节点”，任意两个站点间只要有同一列车在这两个站点停靠，就可以认为这两个站点间有连线，这样生成的网络称为车流网. 统计显示该网络有较大的平均群聚系数和较小的平均网络距离〈d〉，而且该网络节点的度分布基本上服从无标度幂律分布，故车流网为具有无标度性质的小世界网络. 关键词： 铁路地理网 车流网 小世界 无标度分布     

外力诱导吸附高分子单链的拉伸分子动力学研究

采用拉伸分子动力学方法研究聚乙烯单链在真空中从一个强吸附表面被拉伸的动力学过程. 当聚乙烯单链从中间1/3处被拉伸时,通过理想弹簧可测量其平均力〈f〉,发现在拉力与拉伸距离的曲线上出现了两个平台,这与实验结果非常一致,同时研究了在这个过程中链的形状变化情况,发现形状变化经历了四个阶段. 当聚乙烯单链的一端与吸附表面成一定倾斜角拉伸时,发现通过理想弹簧测量到的平均吸附力〈f〉与倾斜角θ在θ>20°的范围里总保持线性关系,并且其斜率随着拉伸速度的增加而增 关键词： 拉伸分子动力学 聚乙烯链 吸附现象     

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.     

颗粒体系中力分布的标量力网系综模型

建立了便于解析计算的标量力网系综模型研究颗粒体系中的力分布问题.所提出的Laplace变换法有效地解决了复杂约束条件下概率密度函数的积分问题,并给出体系中层数较少时极限分布的表达式.发现一般情况下极限分布为多项式与指数函数的乘积,力分布在接近平均力处取最大值,大于平均力时呈指数减小. 关键词： 静态颗粒体系 力空间 力网系综     

矩形板声辐射预测中速度采样问题的研究

为减少系统的复杂度和成本,基于无限大障板上振动矩形板模型,研究了声辐射预测中板表面速度采样问题.从理论上分析了影响速度采样间隔选取的因素,得到了低频时采样间隔由振动模态决定,高频时采样间隔由振动频率决定的结论.数值结果显示临界频率应满足kcsinθ=const(kc=2πFc/c,Fc为临界频率,θ为观察点倾斜角,c为声波波速)的规律,并且通过数值模拟和实验验证了该规律的适用性.     

玻璃-橡胶混合颗粒体系的弹性行为研究

废旧橡胶制品颗粒与砂土颗粒混合物作为建筑填充材料具有环保、轻质、减震效果好等特点.软硬组分的混合比例可以调制体系力学性能从而实现兼顾材料柔韧性与强度的需求,但细观层面上材料性能改变的原因尚不明确.本文主要研究玻璃-橡胶混合颗粒体系的弹性行为及其微观机制.利用飞行时间法测量混合材料等效动弹性模量,发现随着橡胶颗粒增加,体系逐渐从类玻璃刚性行为转变为类橡胶柔性行为.离散元模拟结果与实验结果类似.此外,模拟显示低橡胶颗粒占比样品内主要由玻璃颗粒构成主力链结构,而橡胶颗粒基本不参与强力链的构成.当橡胶颗粒占比较大时,玻璃颗粒和橡胶颗粒共同构成主力链网络结构,但颗粒间法向接触力分布相对更为均匀,可视为玻璃颗粒悬浮于橡胶颗粒中.基于上述结果,提出了改进的等效介质理论,用于描述混合颗粒体系的弹性行为.研究认为:橡胶颗粒占比较小时内部颗粒的变形相对均匀,材料近似满足等应变假设,视为并联弹簧模型;橡胶颗粒占比较大时混合材料近似满足等应力假设,视为串联弹簧模型.两种模型得到的结果与模拟结果一致.上述结果有利于从微观角度揭示混合颗粒材料弹性行为的变化机制.     

薄滚筒内二元湿颗粒体系混合行为的离散单元模拟研究

采用所建立的四方程线性弹性-阻尼离散单元模型,同时考虑了液桥力的作用,对填充量为40%、含液量为3%的水平薄滚筒内S型(不同直径颗粒)二元湿颗粒体系混合过程进行了数值模拟,并与同等操作条件下不含液的干颗粒体系的混合行为进行了比较,分析了液体对颗粒体系混合行为的影响. 同时还将计算结果与文献中的实验结果进行了比较. 结果表明,由于湿颗粒间液桥力的牵引作用使不同性质的颗粒不易分离,使部分颗粒聚结成团,减弱了离析作用的影响,使得滚筒内湿颗粒的混合程度高于相同条件下的干颗粒体系,且接触力的分布较干颗粒体系更加均匀. 通过对混合过程的模拟,直观地反映了混合过程中颗粒的微观运动特性和内部的力学结构,为研究湿颗粒体系混合过程机理提供了依据和参考. 关键词： 湿颗粒体系 混合 分离 离散单元法     

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     

颗粒介质的离散态特性研究

回顾了颗粒介质中应力的分布和传播模式以及物体在颗粒介质中运动所受阻力的研究进展，并报道了我们对颗粒体系中代表离散特性的颗粒尺寸效应对颗粒介质特性影响的研究.研究发现物体由于自身重量在颗粒介质中下沉的深度随着颗粒尺寸的增大单调减小；球体在下陷过程中受到的颗粒床的支撑力，除了在约1 mm范围的表面作用区域以外，与下陷深度之间满足很好的幂率关系，幂值在1.5—1.0之间，并且此幂值随着颗粒尺寸的增大而单调减小.颗粒床的支撑力与下陷深度的幂率关系可解释为颗粒介质内部应力结构重组的宏观反应结果. 关键词： 颗粒物质 离散介质力学     

准静态颗粒介质的弹性势能弛豫分析

颗粒体系是典型的多体相互作用体系, 具有多重的能量亚稳态. 对于准静态颗粒体系, 引入构型颗粒温度T_c描述弹性势能涨落. 本文认为平衡的体系具有一定的构型颗粒温度T_a, 其量值反映了其结构特征. 当外界扰动激发的构型颗粒温度超出T_a时, 产生不可逆过程. 通过对应力松弛过程的分析, 发现(T_c-T_a)激发了弹性弛豫, 且(T_c-T_a)越大则松弛过程中应力变化越大, 最终构型颗粒温度T_c→T_a时,宏观应力松弛结束,体系达到新的能量亚稳态.     

双轴压缩下颗粒物质剪切带的形成与发展

本文采用离散元方法,研究了双轴压缩的颗粒体系在刚性边界约束下,局部剪切带的形成和发展过程,注重分析了细观的体积分数、配位数、颗粒旋转角度等参数以及力链结构形态的演变.并从颗粒体系jamming 相图中J点附近的边壁压强和配位数随体积分数的标度规律出发,分析了剪切带内外的体积分数和配位数的变化.结果表明:剪切带形成于颗粒体系的塑性变形开始阶段,此时体系发生剪胀,颗粒体积分数减小,颗粒体系抵抗旋转的能力降低,开始出现细小剪切带,随着轴向应变的继续,细小剪切带发生连接,最终导致贯穿性优势剪切带形成 关键词： 颗粒物质 力链 双轴压缩 剪切带     

Directed force chain networks and stress response in static granular materials

A theory of stress fields in two-dimensional granular materials based on directed force chain networks is presented. A general Boltzmann equation for the densities of force chains in different directions is proposed and a complete solution is obtained for a special case in which chains lie along a discrete set of directions. The analysis and results demonstrate the necessity of including nonlinear terms in the Boltzmann equation. A line of nontrivial fixed-point solutions is shown to govern the properties of large systems. In the vicinity of a generic fixed point, the response to a localized load shows a crossover from a single, centered peak at intermediate depths to two propagating peaks at large depths that broaden diffusively. Received 16 January 2002     

Stresses in isostatic granular systems and emergence of force chains

Progress is reported on several questions that bedevil understanding of granular systems: (i) Are the stress equations elliptic, parabolic, or hyperbolic? (ii) How can the often-observed force chains be predicted from a first-principles continuous theory? (iii) How do we relate insight from isostatic systems to general packings? Explicit equations are derived for the stress components in two dimensions including the dependence on the local structure. The equations are shown to be hyperbolic and their general solutions, as well as the Green function, are found. It is shown that the solutions give rise to force chains, and the explicit dependence of the force chains trajectories and magnitudes on the local geometry is predicted. Direct experimental tests of the predictions are proposed. Finally, a framework is proposed to relate the analysis to nonisostatic and more realistic granular assemblies.     

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.     

Jamming and fluctuations in granular drag

We investigate the dynamic evolution of jamming in granular media through fluctuations in the granular drag force. The successive collapse and formation of jammed states give a stick-slip nature to the fluctuations which is independent of the contact surface between the grains and the dragged object, thus implying that the stress-induced collapse is nucleated in the bulk of the granular sample. We also find that while the fluctuations are periodic at small depths, they become "stepped" at large depths, a transition which we interpret as a consequence of the long-range nature of the force chains.     

Stress chain solutions in two-dimensional isostatic granular systems: fabric-dependent paths, leakage, and branching

The stress field equations for two-dimensional disordered isostatic granular materials are reformulated, giving new results beyond the commonly accepted force chains. Localized loads give rise to exactly determinable cones of influence, bounded by stress chains. Disorder couples same-source chains, attenuates stresses along chains, causes stress leakage from chains into the cone, and gives rise to branching. Chains from spatially separate sources do not interact. The formulation is convenient for computation, and several numerical solutions are presented.     

Evolution of percolating force chains in compressed granular media

The evolution of effective force chains percolating through a compressed granular system is investigated. We compressed an ensemble of spherical particles monitoring the macroscopic constitutive behavior and the acoustic signals emitted by microscopic rearrangements of particles. We applied the continuous damage model of fiber bundles to describe the evolution of the array of force chains. The model provides a nonlinear constitutive behavior in good quantitative agreement with the experimental results. The amplitude distribution of acoustic signals was found experimentally to follow a power law of an exponent delta=1.15+/-0.05, which is in good agreement with the analytic solution of the model.