重力作用下颗粒介质应力链的离散元模拟

用离散元的方法模拟了仅有重力作用的二维颗粒系统内部力的分布情况,并根据力的大小得到颗粒之间的应力链.模拟结果与颗粒介质研究中的两个著名模型q模型和α模型作了对比,并与光弹实验的结果作了比较.对比结果表明,模拟结果与实验相似,而与两个概率模型有一定的差异.另外计算结果还表明,颗粒介质中力大小的概率分布极为不均匀,较大的力概率呈指数衰减,应力链的分布具有分形特征. 关键词： 颗粒介质 离散元 应力链 光弹实验     

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.     

风沙运动问题的SPH-FVM耦合方法数值模拟研究

针对离散颗粒模型和欧拉-欧拉双流体模型在求解气粒两相流动问题中存在的不足,提出了一种新方法——SPH-FVM耦合方法,并应用于风沙运动过程的数值模拟计算.新方法基于拟流体模型,采用光滑粒子流体动力学方法(SPH)对离散颗粒相进行求解,追踪单颗粒运动轨迹,采用有限体积法(FVM)求解连续气体相,捕捉流场特性,两相间通过曳力、压力梯度、体积分数等参量进行耦合,建立了两种不同坐标系下方法间的耦合框架.对SPH粒子所承载的物质属性进行了重定义,改造成了适用于离散颗粒相求解的光滑离散颗粒流体动力学模型(SDPH),阐述了SPH粒子与离散相中颗粒之间的关系,推导得到了拟流体SPH离散方程组.模拟了风沙运动中沙粒跃移过程和自由来流风速作用下沙粒的运动过程以及沙丘在风力作用下缓慢向前蠕移的过程,分析了颗粒的运动轨迹,流场中沙粒水平速度分布规律以及气体速度场在沙粒反作用下的变化情况等,与实验结果相符合,结果表明该方法不仅精度较高,而且计算量较小,适于求解风沙运动问题乃至其他气粒两相流动问题.     

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.     

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.     

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     

震前兆信息传播、分布及其探测原理

地壳岩石层由板块、断层和其间的断层泥构成,在研究地震前兆信息传播这类准静力学问题时,应将其作为大尺度离散态颗粒物质体系处理.地震孕育过程中,在大地构造力驱动下,岩石层块克服所受摩擦力和边界断层泥阻力发生滞滑移动.当岩块间断层泥受挤压后其强度增大到一定程度时,又推动下一岩石层块滞滑移动,就这样渐次使其他岩石层块发生移动,并以力链形式分布和传递.文章给出了此模型的物理依据和实际观测例证;通过模拟实验和分析阐述了力-移动-形变在地层中分布的表达形式和传播时间序;说明了地震前兆信息的主要特征及其与地震发生之间的关联,以及探测有效地震前兆信息的方法原理.同时,论述了用颗粒物理原理与连续介质观念对地震前兆认识的本质区别,解释了连续介质观点难以理解的若干地震学问题. 关键词： 地震前兆 颗粒物质 滞滑移动 力链     

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     

集中力作用下球形颗粒六角密排堆积体的传力研究

采用铝塑板技术和复写纸技术相结合,当球形颗粒堆积体在不同的六角密排情况下受集中力作用时,对堆积体底面力的分布情况进行了定量的实验研究.结果表明：在所有排列情形下都存在明显的拱效应,且在堆积体的每一水平层面上力的分布都具有120°对称性.证实了颗粒排列形式对力的传递有很大影响.发现在纯六角密排排列时,底部颗粒的受力最为平均,单个颗粒受力的最大值在所有排列中为最小.还发现了非主力链的“聚焦”现象.对实验结果做出了理论解释. 关键词： 颗粒介质 六角密排 力链     

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     

A brief review of “granular elasticity”

Although granular materials are predominantly plastic, preparation-dependent, anisotropic under shear, and incrementally nonlinear, their static stress distribution is well accounted for, in the whole range up to the point of failure, by an isotropic, nonlinear and carefully tailored elasticity theory termed GE, for "granular elasticity". Its usefulness, limits, and the understanding behind it are reviewed, and some contentious questions (e.g. what is the elastic reference state, how to measure the elastic displacement) discussed.     

二维成分无序颗粒体系中法向力的分布

运用离散元法研究成分无序体系中法向力的几率分布,该体系由两种不同刚度系数的颗粒规则堆积而成, 体系的无序程度由缺陷率控制.模拟发现,无缺陷时体系的力网几乎是均匀的,而有缺陷时力网变得不均匀. 提出了主法向力与次法向力的概念,并对它们分别进行统计;随着缺陷率的增加,主法向力的分布经历了比较复杂的变化过程,而次法向力总是指数型分布.模拟结果表明,缺陷率较小时成分无序体系中的法向力分布与随机堆积体系很不相同,而缺陷率较大时得到了与随机堆积类似的结果.这些结果有助于理解力网的不均匀性与体系无序性的关系.     

Contact forces in a granular packing

We present the results of a systematic numerical investigation of force distributions in granular packings. We find that all the main features of force transmission previously established for two-dimensional systems of hard particles hold in three-dimensional systems and for soft particles, too. In particular, the probability distribution of normal forces falls off exponentially for forces above the mean force. For forces below the mean, this distribution is either a decreasing power law when the system is far from static equilibrium, or nearly uniform at static equilibrium, in agreement with recent experiments. Moreover, we show that the forces below the mean do not contribute to the shear stress. The subnetwork of the contacts carrying a force below the mean thus plays a role similar to a fluid surrounding the solid backbone composed of the contacts carrying a force above the mean. We address the issue of the computation of contact forces in a packing at static equilibrium. We introduce a model with no local simplifying force rules, that allows for an exact computation of contact forces for given granular texture and boundary conditions. (c) 1999 American Institute of Physics.     

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.     

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.     

Numerical study of the stress response of two-dimensional dense granular packings

We investigate the Green function of two-dimensional dense random packings of grains in order to discriminate between the different theories of stress transmission in granular materials. Our computer simulations allow for a detailed quantitative investigation of the dynamics which is difficult to obtain experimentally. We show that both hyperbolic and parabolic models of stress transmission fail to predict the correct stress distribution in the studied region of the parameters space. We demonstrate that the compressional and shear components of the stress compare very well with the predictions of isotropic elasticity for a wide range of pressures and porosities and for both frictional and frictionless packings. However, the states used in this study do not include the critical isostatic point for frictional particles, so that our results do not preclude the fact that corrections to elasticity may appear at the critical point of jamming, or for other sample preparation protocols, as discussed in the main text. We show that the agreement holds in the bulk of the packings as well as at the boundaries and we validate the linear dependence of the stress profile width with depth.     

成分无序颗粒体系中切向力的分布

采用离散元模拟研究成分无序颗粒体系中切向力的几率分布.将切向力分为主切向力和次切向力分别进行统计,结果表明主切向力与次切向力服从不同的分布.随着缺陷率的增加,主切向力由近似的正态分布变为双峰状的分布,最后变为单峰状的分布;而次切向力总是指数型分布.通过理论计算和模拟讨论了切向力分布,说明缺陷率较大的成分无序体系与结构无序体系有类似的力分布规律.