STRUCTURE AND THERMODYNAMICS OF GRANULAR MATERIALS

颗粒介质由大量离散的粗颗粒聚集而成,如自然界中的粗砂和碎屑堆积体等. 在工程实践中,人们依据经验和实验数据建立了许多模型,虽然可以满意地描述某些力学现象,但是对颗粒介质力学性质全貌的认识以及颗粒介质物理本质的理解仍远远不够. 颗粒介质长程无序、短程有序的结构和复杂的能量转化过程,注定了其独特的力学性质. 该文综述了颗粒介质结构探测和表征技术、热力学理论和固态-流态转变方面的新进展,特别介绍了清华大学近5 年来开展的颗粒介质结构模型化方法和双颗粒温度热力学理论. 最后,提出了开展结构分析-热力学理论的联合研究思路,以期更加深入认识颗粒介质的力学特性,探究颗粒介质的热力学根源,改善现有唯象研究现状.     

三维圆柱型颗粒堆坍塌问题的全相态数值模拟

静态颗粒堆在重力作用下的坍塌问题, 是认识和理解许多人为过程和自然现象的基础. 采用传统方法进行模拟存在单颗粒追踪数量大、宏观模拟流变特性明显和相态演变复杂等计算难点. 本文从颗粒介质表现出不同相态的物理机理出发, 对全相态概念进行了定义并进行了区域划分. 根据颗粒介质的应力-应变关系及体积分数的不同, 通过确定不同相态之间的耦合关系和转化准则, 将描述各相态的现有理论有效结合起来, 建立了描述颗粒介质经历全部相态的耦合模型理论. 采用光滑离散颗粒流体动力学方法和离散单元法相耦合的策略, 对颗粒介质物理模型求解, 实现了对不同长径比下的三维圆柱型颗粒堆坍塌过程的数值模拟. 计算结果与实验结果吻合较好, 同时与离散单元法相比, 计算量得到了控制. 不仅捕捉到了不同参数影响下颗粒堆坍塌后沉积的不同现象, 同时获得了不同条件参数对颗粒堆坍塌后铺展特性的影响规律, 为揭示工业和自然界中广泛存在的颗粒介质复杂运动机理提供有效的支撑.      

颗粒流动力学及其离散模型评述

颗粒流是由众多颗粒组成的具有内在相互作用的非经典介质流动. 自然界常见颗粒流都是密集流, 颗粒间接触形成力链, 诸多力链相互交接构成支撑整个颗粒流重量和外载荷的网络, 其局部构型及强度在外载荷下演化, 是颗粒流摩擦特性和接触应力的来源.本文介绍球形颗粒间无粘连作用时的Hertz法向接触理论和Mindlin-Deresiewicz切向接触理论. Campbell依据是否生成较为稳定的力链把颗粒流分为弹性流和惯性流两大类, 其中弹性-准静态流和惯性-碰撞流分别对应准静态流和快速流, 作为两种极端流动情况通常处理成连续体, 分别采用摩擦塑性模型和动理论予以描述, 但是表征接触力链的颗粒弹性参数并不出现这两个模型和理论框架中, 如何进一步考虑颗粒弹性参数将非常困难. 目前离散动力学方法逐渐成为复现其复杂颗粒流动现象、提取实验不可能获得的内部流动信息进而综合起来探索颗粒流问题的一种有效工具, 其真实性强于连续介质理论的描述. 软球模型对颗粒间接触力简化处理, 忽略了切向接触力对法向接触力及其加载历史的依赖, 带来了法向和切向刚度系数如何标度等更艰难的物理问题, 但由于计算强度小而广泛应用于工程问题中. 硬球模型不考虑颗粒接触变形, 因而不能描述颗粒流内在接触应变等物理机理, 仅适用于快速颗粒流, 这不仅仅是由于两体碰撞的限制. 因此基于颗粒接触力学的离散颗粒动力学模型是崭新的模型,适用于准静态流到快速流整个颗粒流态的模拟, 可以细致考虑接触形变及接触力的细节,建立更为合理的颗粒流本构关系, 进而有力的促进颗粒流这一非经典介质流动的研究.      

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.     

颗粒体流-固特性的实验研究方法评述

颗粒材料是一种常见的复杂多体物质，其形态各不相同，颗粒之间通过相互作用使其表现出十分复杂的流体或固体特性。因此结合理论、实验及模拟的方法对颗粒材料进行研究，可以进一步发现颗粒的物理规律并对其进行表征，同时也有助于学者对颗粒材料的特性形成更加系统的认识。本文对颗粒材料在不同物质状态下表现出的不同流态特性与多尺度特点进行简要介绍，同时回顾了颗粒材料流-固特性的研究现状与2种状态下的实验研究方法，概括了相关测量方法的优缺点。     

爆炸与冲击中的实际物质状态方程

本文综述了爆炸力学计算中涉及的实际介质的状态方程,这些物质结构复杂,其描述方法与金属的状态方程有些不同.用物理力学观点及半经验、半理论方法进行描述.①用普遍的热力学方法导出介质的状态方程表达式,并用实测数据计算了有关的参量;②Grneisen系数值的计算以及它与体积和温度的关系;③多孔介质的优态方程;④从理论上系统地导出了波后卸载方程;⑤探讨了原予统计模型的边界势.      

饱和黏弹性多孔介质中的平面波及能量耗散

研究了流体饱和不可压黏弹性多孔介质中的非均匀平面波及其能量流和能量耗散规律. 在流 相和固相物质微观不可压、固相骨架宏观服从积分型本构关系和小变形的假定下，利用 Helmholtz分解，得到了饱和黏弹性多孔介质中非均匀平面波的一般解以及纵波、横波相速 度和衰减率等的解析表达式，分析了平面波传播矢量和衰减矢量之间的关系. 数值结果表明 孔隙流体与固相骨架间的相互作用以及固相骨架的黏性对波的相速度、衰减率等有着显著的 影响. 同时，得到了饱和黏弹性多孔介质的能量方程，给出了能量流矢量和能量耗散率. 对 非均匀平面纵波和横波，推导了平均能量流矢量和平均能量耗散率的解析表达式.     

一种孔隙介质力学模型及在水泥基材料的应用

基于细观力学和断裂力学的基本理论提出一个新的分析模型, 对孔隙介质的力学性能进行了分析. 依据孔隙介质内部孔隙的几何描述和状态参数,如孔隙率、形状、尺度及分布等,通过等效夹杂理论获得孔隙介质的等效本构方程,其最终变量为应力、应变和孔隙的形态参数. 根据断裂理论中材料承受载荷作用下破坏增长过程中的能量守恒,对孔隙介质变形过程中机械能、弹性应变能和载荷提供的势能进行分析, 根据能量守恒定律建立能量守恒方程,其最终变量也为应力、应变和孔隙的形态参数. 根据等效本构方程和能量守恒方程,获得孔隙介质承受载荷作用下的应力应变关系. 最后将该力学模型应用于水泥基材料,计算水泥基材料的力学性能并与文献中的结果进行对比分析,结果显示模型的计算结果准确有效.      

一种滞弹簧耗能的新型离散元滚动阻力模型研究

颗粒间滚动阻力对颗粒体系的稳定性起着重要作用. 在传统的离散元法中, 滚动阻力模型通常由转动弹簧、转动黏壶和摩擦元件表达, 颗粒滚动动能由黏滞力(矩)和摩擦力做功耗散. 由于黏滞力(矩)与滚动速度相关, 临近静止状态的颗粒滚动速度变小, 动能耗散减弱, 传统的离散元模拟得到颗粒由滚动到静止耗费的时间比试验观测的结果要长. 为解决这一问题, 基于摩擦学理论分析了滚动阻力产生的材料滞弹性机理, 将其引入离散元滚动阻力模型, 提出了一种速度无关型动能耗散的滞弹簧, 给出了滞弹簧的弹性恢复力计算公式, 建立了一种新型的离散元滞弹性滚动阻力模型(HDEM). 为验证新型滚动阻力模型的正确性, 通过一个光学物理试验对单个圆形颗粒试件的自由滚动过程进行了测量, 将测量数据与新型的滞弹型离散元模型和传统离散元模型计算结果进行了对比. 结果显示, 基于滞弹性滚动阻力模型HDEM计算结果与试验数据吻合程度更高, 而且模拟得到的颗粒摆动频率更符合试验现象.      

钟摆状态下湿颗粒坍塌流动行为及其动力相似性

基于建立的湿颗粒离散动力学模型,本文系统研究了钟摆状态下湿颗粒柱在重力驱动下的坍塌流动过程,主要考虑了颗粒粒径、液体表面张力系数和液体含量等参数对系统坍塌流动模式和动力学行为的影响。研究发现,在湿颗粒系统中,颗粒粒径和液体表面张力系数会改变颗粒间的毛细力大小,引起系统发生不同的坍塌流动模式,而液体含量仅定量影响颗粒坍塌后的堆积形态。在此基础上,进一步探讨了不同模式下系统坍塌流动行为与模型参数的相关性,发现无量纲Bond数是决定钟摆状态下湿颗粒物质坍塌流动动力学行为的本质因素。     

含液颗粒材料液固耦合分析的离散颗粒模型及特征线SPH法

对含液颗粒材料流固耦合分析建议了一个基于离散颗粒模型与特征线SPH法的显式拉格朗日-欧拉无网格方案。在已有的用以模拟固体颗粒集合体的离散颗粒模型[1]基础上,将颗粒间间隙内的流体模型化为连续介质,对其提出并推导了基于特征线的SPH法。数值例题显示了所建议方案在模拟颗粒材料与间隙流相互作用的能力和性能以及间隙流体对颗粒结构承载能力及变形的影响。     

流固耦合不可压物质点法及其在晃动问题中的应用

作为一种混合拉格朗日欧拉法,物质点法在流固耦合问题中具有重要的应用前景。对于自由液面的流动问题,基于物质点法框架已建立了弱可压物质点法和完全不可压物质点法,但在处理流固耦合问题时遇到了困难。弱可压物质点法由于采用可压缩状态方程,导致求解时间步长过小,压力振荡严重,产生了非物理的飞溅现象;完全不可压物质点法基于投影算法和不可压条件,消除了弱可压物质点法的压力振荡,提高了时间步长,但难以处理移动边界问题。基于变分形式的投影算法提出了一种新型流固耦合不可压物质点法,得到了体积加权的压力泊松方程PPE(Pressure Poisson Equation),解决了完全不可压物质点法无法处理不规则边界和移动边界的问题。采用流固耦合不可压物质点法研究了运动刚体容器中的液体晃动问题,并与已有实验和数值结果进行对比,验证了算法的正确性和精度。     

流体饱和两相多孔介质拟静态问题的有限元解法

给出基于混合物理论的流体饱和两相多孔介质模型,该模型由一可变形固体 一流体相组成。采用Ｇａｌｅｒｋｉｎ加权残值法导出求解拟静态问题的有限元公式,并编制了二维有限元程序。用程序分析了一维和二维问题,得到合理的结果。     

A micromechanics-based elastoplastic damage model for granular materials at low confining pressure

This paper is devoted to the formulation of a micromechanics-based constitutive model for granular materials under relatively low confining pressure. The constitutive formulation is performed within the general framework of homogenization for granular materials. However, new rigorous stress localization laws are proposed. Some local constitutive relations are established under the consideration of irreversible thermodynamics. Macroscopic plastic deformation is obtained by considering local plastic sliding in a limit number of families of contact planes. The plastic sliding at each contact plane is described by a non-associated plastic flow rule, taking into account pressure sensitivity and normal dilatancy. Nonlinear elastic deformation related to progressive compaction of contacts is also taken into account. Material softening is described by involving damage process related to degradation of microstructure fabric. The proposed model is applied to some typical granular materials (sands). The numerical predictions are compared with experimental data.     

A hybrid immersed boundary and material point method for simulating 3D fluid–structure interaction problems

A numerical method is developed for solving the 3D, unsteady, incompressible Navier–Stokes equations in curvilinear coordinates containing immersed boundaries (IBs) of arbitrary geometrical complexity moving and deforming under forces acting on the body. Since simulations of flow in complex geometries with deformable surfaces require special treatment, the present approach combines a hybrid immersed boundary method (HIBM) for handling complex moving boundaries and a material point method (MPM) for resolving structural stresses and movement. This combined HIBM & MPM approach is presented as an effective approach for solving fluid–structure interaction (FSI) problems. In the HIBM, a curvilinear grid is defined and the variable values at grid points adjacent to a boundary are forced or interpolated to satisfy the boundary conditions. The MPM is used for solving the equations of solid structure and communicates with the fluid through appropriate interface‐boundary conditions. The governing flow equations are discretized on a non‐staggered grid layout using second‐order accurate finite‐difference formulas. The discrete equations are integrated in time via a second‐order accurate dual time stepping, artificial compressibility scheme. Unstructured, triangular meshes are employed to discretize the complex surface of the IBs. The nodes of the surface mesh constitute a set of Lagrangian control points used for tracking the motion of the flexible body. The equations of the solid body are integrated in time via the MPM. At every instant in time, the influence of the body on the flow is accounted for by applying boundary conditions at stationary curvilinear grid nodes located in the exterior but in the immediate vicinity of the body by reconstructing the solution along the local normal to the body surface. The influence of the fluid on the body is defined through pressure and shear stresses acting on the surface of the body. The HIBM & MPM approach is validated for FSI problems by solving for a falling rigid and flexible sphere in a fluid‐filled channel. The behavior of a capsule in a shear flow was also examined. Agreement with the published results is excellent. Copyright © 2007 John Wiley & Sons, Ltd.     

超高速碰撞下相变效应的交错网格物质点法研究

超高速碰撞下的结构毁伤过程常伴随材料相变、断裂失效及碎片云的产生与演化,其所具有的压力强间断、材料非线性等几何大变形等问题给数值模拟带来了困难。交错网格物质点法SGMP通过背景网格格心积分消除了物质点法MPM跨网格误差,是模拟固体冲击爆炸等极端大变形与材料破坏问题的一种有效数值分析方法。本文将含金属相变的GRAY状态方程及含非线性内聚力断裂的Johnson-Cook修正金属模型引入SGMP中,模拟超高速碰撞单层、多层靶板问题。结果表明,SGMP和修正金属模型可以很好地模拟超高速碰撞问题中的碎片云形貌特征和相变效应。     

非均质固体炸药冲击起爆的物质点法

将点火增长方程引入到物质点法中,编制了相应的计算程序MPM-SDT,并求解了冲击起爆问题.通过与传统算法和实验结果的比较,验证了物质点法应用于冲击起爆问题的可行性.物质点法避免了Lagrange法的网格畸变缠结和Euler法的对流误差.最后,对钨、铜、钢等材料破片撞击屏蔽炸药问题进行了多组数值模拟.3种材料对屏蔽炸药的...     

On mechanics of saturated granular materials

A continuum theory of saturated granular materials is formulated. The basic balance laws for the solid phase as well as for the fluid phase are presented. The constitutive equations are derived and the basic equations of motion of the solid and fluid continua are obtained. Several cases of interest, such as incompressible granules saturated with liquids are discussed. It is shown that the theory contains, as its special cases, the Mohr-Coulomb criterion for a granular material as well as Darcy's law of flow through porous media.     

Material point method of modelling and simulation of reacting flow of oxygen

Aerospace vehicles are continually being designed to sustain flight at higher speeds and higher altitudes than previously attainable. At hypersonic speeds, gases within a flow begin to chemically react and the fluid's physical properties are modified. It is desirable to model these effects within the Material Point Method (MPM). The MPM is a combined Eulerian–Lagrangian particle-based solver that calculates the physical properties of individual particles and uses a background grid for information storage and exchange. This study introduces chemically reacting flow modelling within the MPM numerical algorithm and illustrates a simple application using the AeroElastic Material Point Method (AEMPM) code. The governing equations of reacting flows are introduced and their direct application within an MPM code is discussed. A flow of 100% oxygen is illustrated and the results are compared with independently developed computational non-equilibrium algorithms. Observed trends agree well with results from an independently developed source.