密集颗粒物质的介观结构

密集颗粒物质由大量颗粒组成的多体相互作用体系,在一定条件下,颗粒互相连接,形成相对稳定的介观尺度结构,其几何和动力学性质较大程度上决定了颗粒体系的宏观物理和力学性质,因此开展颗粒的介观结构研究具有重要的理论价值,是科学的前沿之一.自然界的堆石坝、堰塞体和碎屑流,以及工程中的高温气冷堆堆芯颗粒流和先进核裂变能系统(ADS嬗变)的颗粒散裂靶等都是典型的颗粒体系,研究颗粒体系宏观力学性质是灾害预测和调控技术的关键.本文首先介绍颗粒接触力理论和简化模型的研究进展,接着介绍介观尺度结构分析方法与测量技术,颗粒体系Jamming转变、软点和颗粒微位移测量技术等,最后列举了几个关键的科学问题.颗粒介质中很多基本力学问题的解决需要借鉴物理和数学等学科的最新成果,建立新的概念和范式,从新的角度、思路、理念去认识颗粒介质的基本问题.同时,颗粒介质的基础研究还要紧密结合工程应用领域的大量相关的核心技术,与工程领域专家共同合作,使得颗粒介质的研究有的放矢,更具生命力.     

The mesoscopic structures of dense granular materials

密集颗粒物质由大量颗粒组成的多体相互作用体系,在一定条件下,颗粒互相连接,形成相对稳定的介观尺度结构,其几何和动力学性质较大程度上决定了颗粒体系的宏观物理和力学性质,因此开展颗粒的介观结构研究具有重要的理论价值,是科学的前沿之一.自然界的堆石坝、堰塞体和碎屑流,以及工程中的高温气冷堆堆芯颗粒流和先进核裂变能系统（ADS嬗变）的颗粒散裂靶等都是典型的颗粒体系,研究颗粒体系宏观力学性质是灾害预测和调控技术的关键.本文首先介绍颗粒接触力理论和简化模型的研究进展,接着介绍介观尺度结构分析方法与测量技术,颗粒体系Jamming转变、软点和颗粒微位移测量技术等,最后列举了几个关键的科学问题.颗粒介质中很多基本力学问题的解决需要借鉴物理和数学等学科的最新成果,建立新的概念和范式,从新的角度、思路、理念去认识颗粒介质的基本问题.同时,颗粒介质的基础研究还要紧密结合工程应用领域的大量相关的核心技术,与工程领域专家共同合作,使得颗粒介质的研究有的放矢,更具生命力.     

Measurement techniques of grain motion and inter-grain structures in dense granular materials

颗粒材料由大量粗颗粒堆积形成, 是复杂的多体相互作用体系, 呈现出颗粒尺度的结构不均匀和动力学不均匀性的基本特征, 这决定了颗粒材料具有很多独特的宏观性质. 借鉴学科历史的发展途径, 基于统计力学, 从颗粒结构和动力学开始建立颗粒材料体系的宏观连续介质力学理论框架是必然途径.但是, 颗粒材料的基本特征决定了从基本理论到实验手段上, 表征与建立颗粒材料结构与性能的相关性都极其困难.这是由于现有测试分析手段所描述的颗粒系统组织结构过于简单化, 缺乏对颗粒结构和动力学的真正认识, 从而制约了颗粒物质研究的发展.因此, 开展颗粒体系结构和动力学性质的测量, 是理解和认识颗粒材料重要物理和力学问题的基础和依据.笔者来自不同的科研院所, 近十年来开展了颗粒体系结构和动力学性质的测量研究, 主要集中于以下两个方向: (1)数字图像测速法、散斑能见度光谱法和X射线- CT等非侵入式测量技术在颗粒运动方面的应用; (2)体积响应谱、力学谱(有效质量和内耗等)和声速测量技术等直接或间接测量颗粒接触力和颗粒结构技术.本文综述了这些实验手段的基本原理及其特点、取得的主要成果, 以及国际最新进展和困难. 最后是对全文的总结, 结合笔者开展测量的经验和教训, 提出了自己的看法, 并试图展望颗粒材料测量技术研究的前景.     

密集颗粒体系的颗粒运动及结构测量技术

颗粒材料由大量粗颗粒堆积形成,是复杂的多体相互作用体系,呈现出颗粒尺度的结构不均匀和动力学不均匀性的基本特征,这决定了颗粒材料具有很多独特的宏观性质.借鉴学科历史的发展途径,基于统计力学,从颗粒结构和动力学开始建立颗粒材料体系的宏观连续介质力学理论框架是必然途径.但是,颗粒材料的基本特征决定了从基本理论到实验手段上,表征与建立颗粒材料结构与性能的相关性都极其困难.这是由于现有测试分析手段所描述的颗粒系统组织结构过于简单化,缺乏对颗粒结构和动力学的真正认识,从而制约了颗粒物质研究的发展.因此,开展颗粒体系结构和动力学性质的测量,是理解和认识颗粒材料重要物理和力学问题的基础和依据.笔者来自不同的科研院所,近十年来开展了颗粒体系结构和动力学性质的测量研究,主要集中于以下两个方向:(1)数字图像测速法、散斑能见度光谱法和X射线-CT等非侵入式测量技术在颗粒运动方面的应用;(2)体积响应谱、力学谱(有效质量和内耗等)和声速测量技术等直接或间接测量颗粒接触力和颗粒结构技术.本文综述了这些实验手段的基本原理及其特点、取得的主要成果,以及国际最新进展和困难.最后是对全文的总结,结合笔者开展测量的经验和教训,提出了自己的看法,并试图展望颗粒材料测量技术研究的前景.     

密集颗粒体系的颗粒运动及结构测量技术

颗粒材料由大量粗颗粒堆积形成, 是复杂的多体相互作用体系, 呈现出颗粒尺度的结构不均匀和动力学不均匀性的基本特征, 这决定了颗粒材料具有很多独特的宏观性质. 借鉴学科历史的发展途径, 基于统计力学, 从颗粒结构和动力学开始建立颗粒材料体系的宏观连续介质力学理论框架是必然途径.但是, 颗粒材料的基本特征决定了从基本理论到实验手段上, 表征与建立颗粒材料结构与性能的相关性都极其困难.这是由于现有测试分析手段所描述的颗粒系统组织结构过于简单化, 缺乏对颗粒结构和动力学的真正认识, 从而制约了颗粒物质研究的发展.因此, 开展颗粒体系结构和动力学性质的测量, 是理解和认识颗粒材料重要物理和力学问题的基础和依据.笔者来自不同的科研院所, 近十年来开展了颗粒体系结构和动力学性质的测量研究, 主要集中于以下两个方向: (1)数字图像测速法、散斑能见度光谱法和X射线- CT等非侵入式测量技术在颗粒运动方面的应用; (2)体积响应谱、力学谱(有效质量和内耗等)和声速测量技术等直接或间接测量颗粒接触力和颗粒结构技术.本文综述了这些实验手段的基本原理及其特点、取得的主要成果, 以及国际最新进展和困难. 最后是对全文的总结, 结合笔者开展测量的经验和教训, 提出了自己的看法, 并试图展望颗粒材料测量技术研究的前景.      

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.     

基于介观结构的饱和与非饱和多孔介质有效应力

基于描述含液颗粒材料介观结构的Voronoi 胞元模型和离散颗粒集合体与多孔连续体间的介-宏观均匀化过程, 定义饱和与非饱和多孔介质有效应力. 导出了计及孔隙液压引起之颗粒体积变形的饱和多孔介质广义有效应力. 用以定义广义有效应力的Biot 系数不仅依赖于颗粒材料的多孔连续体固体骨架及单个固体颗粒的体积模量(材料参数),同时与固体骨架当前平均广义有效应力及单个固体颗粒的体积应变(状态量) 有关. 提出了描述非饱和多孔介质中非混和固体颗粒、孔隙液体和气体等三相相互作用的具介观结构的Voronoi 胞元模型.具体考虑在低饱和度下双联(binary bond) 模式的摆动(pendular) 液桥系统介观结构. 导出了基于介观水力-力学模型的非饱和多孔介质的各向异性有效应力张量与有效压力张量. 考虑非饱和多孔介质Voronoi 胞元模型介观结构的各向同性情况,得到了与非饱和多孔连续体理论中唯象地假定的标量有效压力相同的有效压力形式.但本文定义的与确定非饱和多孔介质有效应力和有效压力相关联的Bishop 参数由基于三相介观水力-力学模型, 作为饱和度、孔隙度和介观结构参数的函数导出,而非唯象假定.      

颗粒材料计算力学专题序

<正>颗粒材料是由大量不同形状、尺寸的离散颗粒及其孔隙介质组成,具体表现为自然界中的滑坡、沙尘、工程结构中的土体、混凝土、工业生产中的矿石、谷物等,是自然环境、工程应用和日常生活中出现最广泛的材料之一.由于颗粒材料在微尺度下的形态复杂性、非均质性和随机性,其在宏观尺度上也呈现出复杂的力学行为.当颗粒材料与其周围流体、工程结构发生耦合作用时,则会呈现出更加复杂的多尺度、多介质力学特性.采用数值方法对颗粒材料中的力学问题进行深入     

颗粒材料计算力学专题序

正颗粒材料及相关问题广泛存在于地质灾害、岩土工程、化学工程、环境科学和交通运输等诸多领域.这些问题的解决都直接涉及到对颗粒材料基本力学性质的认知程度.颗粒材料计算力学的理论和分析方法为这种集随机性、非线性、多尺度和非平衡等特征于一体的典型复杂系统的定量化研究及其在环境和工程中     

颗粒材料计算力学专题序

颗粒材料广泛地存在于自然环境、工业生产和日常生活等诸多领域, 其受加载速率、约束条件等因素的影响具有复杂的力学行为. 颗粒材料常与流体介质、工程结构物耦合作用并共同组成复杂的颗粒系统, 并呈现出非连续性、非均质性的复杂力学特性. 目前, 离散元方法已成为解决不同工程领域颗粒材料问题的有力工具, 然而其在真实颗粒形态的构造、接触算法、颗粒与流体及工程结构的耦合模型、多介质和多尺度问题, 以及高性能大规模计算等方面仍面临着诸多亟待解决的问题.《力学学报》组织了“颗粒材料计算力学”专题的7篇综述或研究论文, 分别从研究进展、理论模型及工程应用方面反映了颗粒材料计算力学研究领域上的最新研究进展, 为颗粒材料计算力学交叉领域的研究提供参考.      

基于介观力学信息的颗粒材料损伤——愈合与塑性宏观表征

本文在二阶计算均匀化框架下提出了颗粒材料损伤--愈合与塑性的多尺度表征方法. 颗粒材料结构在宏观尺度模型化为梯度Cosserat连续体,在其有限元网格的每个积分点处定义具有离散颗粒介观结构的表征元. 建立了表征元离散颗粒系统的非线性增量本构关系. 表征元周边介质作用于表征元边界颗粒的增量力与增量力偶矩以表征元边界颗粒的增量线位移与增量转动角位移、当前变形状态下表征元离散介观结构弹性刚度、以及凝聚到表征元边界颗粒的增量耗散摩擦力表示. 基于平均场理论与Hill定理,导出了基于介观力学信息的梯度Cosserat连续体增量非线性本构关系. 在等温热动力学框架下定义了表征颗粒材料各向异性损伤--愈合和塑性的损伤、愈合张量因子与综合损伤、愈合效应的净损伤张量因子和塑性应变. 此外,定义了损伤和塑性耗散能密度与愈合能密度,以定量比较材料损伤、愈合、塑性对材料失效的效应. 应变局部化数值例题结果显示了所建议的颗粒材料损伤--愈合--塑性表征方法的有效性.      

基于介观力学信息的颗粒材料损伤-愈合与塑性宏观表征

本文在二阶计算均匀化框架下提出了颗粒材料损伤-愈合与塑性的多尺度表征方法.颗粒材料结构在宏观尺度模型化为梯度Cosserat连续体,在其有限元网格的每个积分点处定义具有离散颗粒介观结构的表征元.建立了表征元离散颗粒系统的非线性增量本构关系.表征元周边介质作用于表征元边界颗粒的增量力与增量力偶矩以表征元边界颗粒的增量线位移与增量转动角位移、当前变形状态下表征元离散介观结构弹性刚度、以及凝聚到表征元边界颗粒的增量耗散摩擦力表示.基于平均场理论与Hill定理,导出了基于介观力学信息的梯度Cosserat连续体增量非线性本构关系.在等温热动力学框架下定义了表征颗粒材料各向异性损伤-愈合和塑性的损伤、愈合张量因子与综合损伤、愈合效应的净损伤张量因子和塑性应变.此外,定义了损伤和塑性耗散能密度与愈合能密度,以定量比较材料损伤、愈合、塑性对材料失效的效应.应变局部化数值例题结果显示了所建议的颗粒材料损伤-愈合-塑性表征方法的有效性.     

大型土木结构多尺度模拟与损伤分析——————从材料多尺度力学到结构多尺度

从阐述重大土木工程结构安全运营面临的挑战性课题------结构多尺度力学问题开始, 对多尺度力学中的材料多尺度模拟和结构多尺度模拟的工程背景、多尺度特征和关键研究内容进行比较性评述;在此基础上, 重点介绍了对研究大型土木结构多尺度力学问题可能有参考价值的材料多尺度模拟和分析方法如周期性异质材料问题的平均化与渐进分析方法、单位分解法和多尺度重构核函数法, 以及大型土木结构多尺度模拟与分析领域的研究现状,由此引出结构多尺度力学研究中亟待解决的关键问题并加以评述;通过认识与比较结构多尺度与材料多尺度问题的共性与个性, 文中综述了在大型土木结构多尺度问题的研究进程中可供参考的理论与方法, 提出了这类结构多尺度力学问题研究的几个关键科学问题为: 结构多尺度模拟中的连接与跨越问题、多尺度模型的修正和验证、结构损伤的时间多尺度模拟与分析、结构强度和损伤失效过程中多尺度分析的跨尺度敏感性与随机性因素, 以及适用于大型土木结构多尺度模拟和计算分析的实施策略与技术.      

非饱和颗粒材料的多孔连续体有效压力与有效广义Biot应力

多孔连续体理论框架下的非饱和多孔介质广义有效压力定义和Bishop参数的定量表达式长期以来存在争议,这也影响了对与其直接相关联的非饱和多孔介质广义Biot有效应力的正确预测.基于随时间演变的离散固体颗粒-双联液桥-液膜体系描述的Voronoi胞元模型,利用由模型获得的非饱和颗粒材料表征元中水力-力学介观结构和响应信息,文章定义了低饱和度多孔介质局部材料点的有效内状态变量:非饱和多孔连续体的广义Biot有效应力和有效压力,导出了其表达式.所导出的有效压力公式表明,非饱和多孔连续体的有效压力张量为各向异性,它不仅对非饱和多孔连续体广义Biot有效应力张量的静水应力分量的影响呈各向异性,同时也对其剪切应力分量有影响.文章表明,非饱和多孔连续体中提出的广义Biot理论和双变量理论的基本缺陷在于它们均假定反映非混和两相孔隙流体对固相骨架水力-力学效应的有效压力张量为各向同性.此外,为定义各向同性有效压力张量和作为加权系数而引入的Bishop参数并不包含对非饱和多孔连续体中局部材料点水力-力学响应具有十分重要效应的基质吸力.所导出的非饱和多孔介质广义Biot有效应力和有效压力公式(包括反映有效压力...     

关于极端力学

随着前沿科学和新技术不断发展,工程材料与结构的超常规尺度、密度、硬度、刚度等性能以及在超常规温度、速度、场强和恶劣天气等极端服役环境中的力学响应规律,需要力学提供更为有效的理论和方法. 本报告从极端力学的基本定义和科学内涵出发,结合重大工程问题和大科学问题,从极端性能、极端载荷、学科发展等三个方面系统介绍了极端力学的研究现状,并总结了极端力学的特点及其对力学理论、计算方法和实验技术的挑战,最后对极端力学未来的发展进行了展望.      

实验力学最新进展——————2008国际实验力学会议概况

介绍了2008国际实验力学会议的基本情况.大会报告内容涉及数字图像相关测量、激光干涉测量、光栅应变传感技术、非制冷型红外探测技术等当今实验力学的热点研究领域,以及其它科学领域的发展对实验力学带来的挑战和机遇,尤其是微纳米和多尺度力学问题的研究给实验力学提出的诸多具有挑战性的研究课题.分会场邀请报告和交流论文也充分展示了实验力学各个研究领域的最新研究成果和发展动向.      

页岩多尺度力学特性研究现状

页岩储层的力学行为和工程性质,是影响页岩油气安全、高效、经济开采的关键因素。目前,页岩的物理力学特征研究以宏观测试为主,存在制样、实验耗时长,对目的层精细研究效果不理想等问题。为此,从页岩多尺度组成、微/纳米力学测试、影响因素和跨尺度均匀化4个层面,综述了国内外页岩多尺度力学研究现状:基于多尺度方法建立的页岩微观-细观-宏观组分模型,为页岩多尺度组成-力学耦合提供理论基础;通过微/纳米力学测试技术,明确适合页岩的力学测量标准,完善影响页岩多尺度测量因素评价;基于开展多尺度力学耦合模型研究,评价多尺度间的组成-力学关系。该研究对深入认知页岩岩石力学特征及破坏机理、丰富岩石力学特性测试与表征方法具有重要作用。     

Mechanical frontiers in shale-gas development

页岩气的开采涉及破裂和收集输运两个关键过程.如何实现2000,m以下、复杂地应力作用下、多相复杂介质组分的页岩层内网状裂纹的形成,同时将孔洞、缝隙中的游离、吸附气体进行高效收集,涉及到诸多的核心力学问题.这一工程过程涵盖了力学前沿研究的诸多领域：介质和裂纹从纳米尺度到千米尺度的空间跨越,游离、吸附气体输运过程中微秒以下的时间尺度事件到历经数年开采的时间尺度跨越,不同尺度上流体固体的相互作用,以及压裂过程中通过监测信息反演内部破坏状态等.针对近年来我们国家页岩气勘探开发工作所取得的成就及后续发展中面临的前沿力学问题,在综合介绍页岩气藏的基本特征和开发技术的基础上,以页岩气开采中的若干力学前沿问题为主线,从页岩力学性质及其表征方法、页岩气藏实验模拟技术、页岩气微观流动机制及流固耦合特征、水力压裂过程数值模拟方法、水力压裂过程微地震监测技术、高效环保的无水压裂技术等6个方面的最新研究进展进行了总结和展望,结合页岩气藏开发的工程实践, 深入探究了其中力学关键问题,以期对从事页岩气领域的开发和研究的从业人员提供理论基础, 同时,该方面的内容对力学学科、尤其是岩土力学领域的科研工作也具有重要指导价值.     

页岩气开采中的若干力学前沿问题

页岩气的开采涉及破裂和收集输运两个关键过程.如何实现2000,m以下、复杂地应力作用下、多相复杂介质组分的页岩层内网状裂纹的形成,同时将孔洞、缝隙中的游离、吸附气体进行高效收集,涉及到诸多的核心力学问题.这一工程过程涵盖了力学前沿研究的诸多领域:介质和裂纹从纳米尺度到千米尺度的空间跨越,游离、吸附气体输运过程中微秒以下的时间尺度事件到历经数年开采的时间尺度跨越,不同尺度上流体固体的相互作用,以及压裂过程中通过监测信息反演内部破坏状态等.针对近年来我们国家页岩气勘探开发工作所取得的成就及后续发展中面临的前沿力学问题,在综合介绍页岩气藏的基本特征和开发技术的基础上,以页岩气开采中的若干力学前沿问题为主线,从页岩力学性质及其表征方法、页岩气藏实验模拟技术、页岩气微观流动机制及流固耦合特征、水力压裂过程数值模拟方法、水力压裂过程微地震监测技术、高效环保的无水压裂技术等6个方面的最新研究进展进行了总结和展望,结合页岩气藏开发的工程实践, 深入探究了其中力学关键问题,以期对从事页岩气领域的开发和研究的从业人员提供理论基础, 同时,该方面的内容对力学学科、尤其是岩土力学领域的科研工作也具有重要指导价值.      

基于仪器化压入实验的煤体微纳尺度非均质力学响应特征

煤炭是我国的主体能源,煤矿井下冲击地压、煤与瓦斯突出等灾害的频繁严重影响煤炭的安全生产.煤体是典型的混合物,其内部不同组分的力学性质差异较大,使其在外部扰动的作用下容易产生内部应力集中,导致煤体的失稳、破坏,形成煤矿动力灾害.本文以非均质煤体为研究对象,利用微焦CT、扫描电子显微镜和纳-微米压入实验,研究了煤体微纳尺度的非均质结构和力学性质,实验研究结果表明:煤体是有机物和多种矿物组成的混合物,矿物以点填充、丝状填充和条带状侵入等结构存在于煤体有机物中,不同的矿物填充或侵入区域中矿物含量和结构具有差异,这导致煤体微纳尺度的物理力学性质具有非均质性;纳米尺度压入实验可以捕捉矿物在有机物中的填充或侵入结构,测量煤体混合物中矿物和有机物单组分的力学参数,识别两者力学性质的巨大差异;微米尺度的压入实验可以表征煤体混合物整体的力学性质,矿物填充量越多,煤体混合物的力学性质越强,同时煤体混合物微观尺度的破裂模式会受到矿物填充结构的影响.研究结果揭示了煤体微观结构和力学性质的非均质特征,探讨了煤体混合物的非均质结构可能引起的脆性破坏,为煤矿井下冲击地压和煤与瓦斯突出等动力灾害的预测与防治提供了理论基...