基于DIC的颗粒间接触力计算及力链分析

首次利用数字图像相关方法(Digital Image Correlation method,DIC),依据牛顿力学理论和颗粒线性动量平衡,分析了集中力作用下的二维钢珠颗粒体系,定量地获得了颗粒间接触力。采用CCD相机进行观测并采集了集中力作用下钢珠颗粒体系的变形图像;利用数字图像相关方法对采集的序列图像进行处理,获得了全场位移及应变,并根据胡克定律求得全场应力。对每个颗粒面积区域内各点应力值求和并取平均,获得各个颗粒的平均应力。对采集的数字图像进行图像分析,得到各个颗粒及接触点的排列结构。以颗粒平均应力和颗粒的排列结构作为初始条件,根据牛顿力学理论和颗粒线性动量平衡,最终获取了颗粒间接触力的大小和方向,实现了真实颗粒体系接触力的定量计算。另外从受力方面对集中力作用下颗粒体系内部力链的发展与演变进行了分析。研究结果表明:力链起源于加载位置,随着外荷载的部分耗散,颗粒间接触力逐渐发生变化,力链向四周扩展而形成力链网络。通过对不同压入深度颗粒间接触力变化和分布的分析,定量地描述了加载过程中颗粒间的滚动或滑动引起的力链断裂和重构的现象。     

基于颗粒物质力学的粉末高速压制过程中应力传递分布分析

为探究粉末高速压制过程中应力变化规律,结合颗粒物质力学理论与粉末高速压制高速加载特点,采用离散元法研究粉末高速压制过程,获取了应力整体传递变化规律,应力大小和方向性变化规律及应力传递与力链间关系。研究结果表明:在粉末高速压制中应力逐层传递并在边界反射,其沿高度方向在不同时刻展现出峰值流动特性,随压制进行峰值分别处在0.014m、0.0075m、0.0025m、0.011m、0.014m高度位置,并随压制进行沿宽度方向在模壁处出现逐渐降低现象;应力大小分布概率密度基本呈现单峰特性,在0.5ms、0.8ms时刻峰值分别出现在归一化应力值为3和1.5附近,在1.3ms、1.7ms、4ms时刻峰值出现在归一化应力值为1附近;主应力方向经历无规律分布逐渐向各向异性即90°方向转变,最上层粉末主方向角变化最为剧烈,变化率峰值达到61.5?10(o)/s与6-2.5?10(o)/s,最下层粉末主方向角变化最为舒缓,变化率峰值仅为60.3?10(o)/s;同时,归一化力链强度值与应力值绝对差值保持在0.1下,1.3ms~3.3ms阶段平均增长斜率分别为0.31与0.32,应力传递与力链延展保持较为一致趋势。本研究有助于更深入地了解粉末颗粒物质在高速压制过程中受力变化规律,为进一步提高粉末压制件致密化程度与密度均匀性提供指导。     

基于FEM-DEM的三体摩擦界面中接触行为与应力的多尺度分析

为了研究三体摩擦界面中第一体变形与第三体状态的相互影响,利用耦合有限元法和离散元法的多尺度法模拟了平行板剪切颗粒第三体的过程。整个模型分为两个区域：有限元区域（上板）和离散元区域（第三体和下板）,上板在一定的外载荷压应力下挤压颗粒第三体,下板以恒定的速度剪切颗粒第三体。为实现两个子区域间的相互联系,建立了子区域间应力应变的传递机制。实现了三体摩擦界面的多尺度分析,模拟了平行板剪切颗粒第三体的过程。模拟结果表明：当外载荷压应力低于10MPa时,颗粒间的碰撞增多使得第三体内量纲归一化平均应力增大,宏观摩擦系数也随之增大;在剪切过程中,第三体内部颗粒间的接触随接触角度的分布呈现出一定的规律性,0~90°各区间内的强接触较多,尤其在54°~72°之间;颗粒接触随接触力大小的分布也具有一定的规律性,接触力与第三体颗粒平均接触力的比值在0~0.6之间内的接触较多,随后接触力越大,接触数越少。同时,第一体内压应力分布与第三体内力链的分布相对应,力链越强则与其接触的第一体的压应力越大。     

粒间摩擦对含有点缺陷的二维颗粒堆积体底部力链的影响

力链对颗粒物质的宏观与微观力学性质起着决定性的作用。在离散元法的基础上,建立二维规则排列的颗粒物质系统,分别研究无缺陷颗粒系统在集中载荷变化与有缺陷颗粒系统在缺陷区域改变时,粒间摩擦系数对颗粒系统底部接触力分布规律的影响。结果表明:在无缺陷颗粒系统中,颗粒系统底部接触力的分布形式受摩擦系数和集中载荷的大小影响。随摩擦系数的增大,底部接触力由双峰形式经平台过渡,逐渐向单峰形式转变。在有缺陷颗粒系统中,摩擦系数和缺陷尺寸对底部接触力分布均有影响。同种载荷作用下,随缺陷尺寸的增大,底部接触力峰值显著增大;底部平均力被明显削弱,力向边界的传递增强。系统中轴线上缺陷的存在使底部中间区域受力削弱,当缺陷尺寸超过2层以上时,底部中间力随摩擦系数的变化特征由递增曲线演变为线形衰减曲线。     

EFFECT OF INTERGRANULAR FRICTION ON THE BOTTOM FORCE CHAIN OF TWO-DIMENSIONAL PARTICLE PILES WITH POINT DEFECTS1)

力链对颗粒物质的宏观与微观力学性质起着决定性的作用。在离散元法的基础上,建立二维规则排列的颗粒物质系统,分别研究无缺陷颗粒系统在集中载荷变化与有缺陷颗粒系统在缺陷区域改变时,粒间摩擦系数对颗粒系统底部接触力分布规律的影响。结果表明：在无缺陷颗粒系统中,颗粒系统底部接触力的分布形式受摩擦系数和集中载荷的大小影响。随摩擦系数的增大,底部接触力由双峰形式经平台过渡,逐渐向单峰形式转变。在有缺陷颗粒系统中,摩擦系数和缺陷尺寸对底部接触力分布均有影响。同种载荷作用下,随缺陷尺寸的增大,底部接触力峰值显著增大;底部平均力被明显削弱,力向边界的传递增强。系统中轴线上缺陷的存在使底部中间区域受力削弱,当缺陷尺寸超过2 层以上时,底部中间力随摩擦系数的变化特征由递增曲线演变为线形衰减曲线。     

粒料固有各向异性的离散元模拟与细观分析

料在摊铺后形成的颗粒定向排列将导致其力学性质的固有各向异性. 依据粒料的实际不规则形状, 构建了可模拟粒间咬合嵌挤作用的三维离散元复杂形状颗粒; 生成了5 种不同沉积方向的各向异性试件和1种各向同性试件, 对比了各试件在三轴压缩试验中的宏观力学特性差异; 引入组构张量以量化各向异性程度, 利用玫瑰图表达接触法向与接触力的分布特征, 探究了粒料各向异性的细观发展规律. 结果表明: 颗粒长轴愈趋向水平排布, 峰值应力比愈大, 剪缩与剪胀程度愈明显; 相较于各向同性试件, 沉积角$\theta$为料在摊铺后形成的颗粒定向排列将导致其力学性质的固有各向异性. 依据粒料的实际不规则形状, 构建了可模拟粒间咬合嵌挤作用的三维离散元复杂形状颗粒; 生成了5 种不同沉积方向的各向异性试件和1种各向同性试件, 对比了各试件在三轴压缩试验中的宏观力学特性差异; 引入组构张量以量化各向异性程度, 利用玫瑰图表达接触法向与接触力的分布特征, 探究了粒料各向异性的细观发展规律. 结果表明: 颗粒长轴愈趋向水平排布, 峰值应力比愈大, 剪缩与剪胀程度愈明显; 相较于各向同性试件, 沉积角$\theta$为$0^\circ$时, 峰值应力比和最大体积压缩应变分别提高了12.6\%和18.8\%, 其原因在于加载过程中颗粒旋转和滑动百分比更小, 内部调整时间更短、更易被剪密; 固有各向异性对颗粒法向接触力分布的影响不大, 但显著影响接触法向分布特征; 剪切过程中, $\theta$为$90^\circ$时的接触法向各向异性系数先快速减小后逐渐增大, 而$\theta$为$0^\circ$到$60^\circ$时则呈现出增大后稍有回落或趋于稳定的趋势, 且$\theta$ 愈小的试件各向异性系数增大愈快.     

考虑颗粒转矩的接触网络诱发各向异性分析

颗粒材料的宏观力学行为与接触网络的组构各向异性密切相关, 根据接触点的滑动与否、转动与否和强弱力情况, 可以将颗粒间的接触系统分为不同的子接触网络. 一般而言, 不同的子接触网络在颗粒体系中的传力机制不同, 对宏观力学响应的贡献也有不同. 采用离散单元法(discrete element method, DEM)模拟了不同抗转动系数$\mu_r$下颗粒材料三轴剪切试验, 分析了剪切过程中不同子接触网络的组构张量的演变规律, 并探究了颗粒抗转动效应对子接触网络各向异性指标演变规律的影响. 研究发现: 剪切过程中转动、非转动接触的组构张量变化不是独立的, 受到颗粒间滑动与否的影响; 非滑动、强接触网络是颗粒间的主要传力结构, 非滑动接触网络的接触法向和法向接触力各向异性均随$\mu_r$的增大而增大, 其对宏观应力的贡献程度随$\mu_r$的增大而减小;强接触网络的接触法向各向异性随$\mu_r$的增大而增大, 但法向接触力各向异性随$\mu_r$的增大无明显变化, 强接触网络对宏观应力的贡献程度在不同$\mu_r$情况下均相同.      

基于颗粒物质力学的铁粉末压制中摩擦特性对力链演化影响

结合颗粒物质力学理论,通过离散元法实现铁粉末压制过程模拟并通过压制方程进行验证,针对粉末体系中的力链演化问题,提出力链特征定量分析方式,进一步通过分析不同颗粒间摩擦系数、侧壁摩擦系数与颗粒运动状态转变的方式,探讨摩擦特性对力链量化特征的影响,从而建立摩擦行为与力链演化间的联系. 研究结果表明:随颗粒间摩擦系数增大,整体力链数目变少,力链方向系数、承载不均匀度及单位屈曲度均变大,而随侧壁摩擦系数增大,力链特征差异较小,则颗粒间摩擦系数较侧壁摩擦系数对力链特征演化具有更显著影响. 同时发现,颗粒接触状态的改变与力链特征演化间具有对应性. 研究成果将进一步拓展粉末压制中考虑摩擦行为及力链演化过程在内的粉体致密化行为理论.      

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.      

基于分子动力学-格林函数法的微凸体接触数值分析

表面接触是摩擦的先决条件,其真实接触面积、压应力大小、空间分布等一直是接触力学关注的核心问题.采用分子动力学-格林函数法(GFMD)模拟粗糙面的接触过程,验证了其在大规模接触分析中的高效及准确性,同时探讨了由微球体组成的粗糙面的接触力学特性,并分析了分子尺度下的结果和传统力学模型计算结果的差异.结果表明,单个微凸体接触结果和分子动力学-格林函数法模拟所得非常接近,误差在5%以内.数值模拟发现,在微凸体高度符合高斯分布的情况下,接触面积和接触力成线性关系;在相同接触面积下,微凸体模型得出的接触力偏高,是上限值.微凸体模型没有考虑微凸体间的相互影响,实际是高估了弹性体的刚度;实际接触过程中微凸体相互影响,微凸体对临域形变影响尤其大,使接触区域更加离散.GFMD模型可以准确计算数十亿量级别分子、原子接触过程中真实接触面积及分布,为后续摩擦、滑移等分析提供可靠的参考.     

岩石化学腐蚀-围压细观损伤本构模型与离散元模拟研究

基于Lemaitre应变等价性假设理论,假定受水化学-力耦合损伤的岩石微元强度服从Weibull分布,考虑化学腐蚀与围压耦合作用对岩石力学参数的影响,通过核磁共振技术与损伤力学理论,引入细观化学损伤变量与力损伤变量,并认为微元破坏符合SMP准则,建立岩石化学腐蚀-力耦合损伤本构模型,并采用理论推导的方法得出所需的模型参数。同时基于颗粒离散元方法,引入参数半径乘子来改变颗粒间的黏结接触尺寸,从而模拟水化学损伤,采用平直节理模型对水化学作用后的岩石进行三轴压缩模拟,得到了水化学作用和不同围压下的岩石三轴应力-应变模拟曲线。通过对比所构建的岩石化学腐蚀-力耦合损伤本构模型理论曲线、离散元模拟曲线和试验曲线,结果表明三者吻合度较好,能够很好地反映岩石在化学腐蚀和围压耦合作用下的力学特性与破坏特征,并通过离散元方法得到了岩石在三轴压缩过程中裂纹的产生与分布情况。     

离散元法铁粉末压制中粒径分布对力链演化机制的影响

为阐明粒径分布对铁粉压制中体系内部细观力学行为的影响, 基于离散元理论, 通过改变铁粉颗粒粒径分布建立压制模型, 结合力链提取方法, 通过对力链空间分布、力链数目、力链长度和力链方向性的分析, 探究粒径分布对力链演化的影响机理. 研究结果表明: 不同粒径分布的粉体压制时形成的力链空间分布具有差异, 粒径分布范围越小, 形成的力链分布越集中, 反之, 粒径分布范围越大, 形成的力链分布越松散且均匀; 在粉末压制时, 粒径分布对力链数目也有影响, 具体表现为随着粉体的粒径分布范围变大, 力链总数逐渐减少; 粉体的粒径分布对颗粒形成短力链的数目起着显著影响, 而对力链长度的影响较为有限; 随着粒径分布范围的增大, 力链的方向由均匀分布逐渐集中在特定角度方向, 表现出一定各向异性, 形成的交叉力链网络结构有利于提高粉体致密化程度. 本文为从粉体粒径分布影响层面拓展粉末压制细观力学理论提供基础, 亦为进一步结合粉体粒径分布及体系内力链演变过程改善粉末致密化行为提供指导.      

应力历史对颗粒材料强度和变形特征影响的离散元模拟

主要关注了颗粒材料前期所受的应力历史对其后期宏观力学响应的影响。该应力历史由一段等比例加载应力路径以及卸载垂直方向应力至与水平方向围压相同的卸载段描述。具体工作为:基于PFC2D双轴压缩数值实验,调查了应力历史对颗粒样本的强度、变形特征、细观参量如组构的影响,得出颗粒样本的偏应力-应变、体积应变曲线及其发生破坏时的名义应变云图。数值结果表明:高低围压下样本分别发生剪切破坏和弥散破坏,高围压下弹性阶段的刚度受应力历史影响较大,而低围压下样本在刚进入塑性至应力峰值点阶段的弹塑性刚度变化较为明显。随着应力历史中等比例加载系数的增大,剪胀加快,变形局部化范围有所不同;另一方面,颗粒形状的不规则性会增强颗粒材料的各向异性,导致样本强度更高。     

含抗转能力散粒体的宏微观力学特性数值分析

颗粒间抗转因素对散粒体宏微观特性的影响十分显著。本文采用离散单元法,将蒋明镜（2005年）等提出的抗转动接触模型植入离散元分析软件PFC2D中,模拟了大量刚性边界下的砂土双轴试验,研究了压缩过程中试样的宏观力学性质及部分微观参量的变化情况,用以定性分析颗粒间抗转作用对散粒体的宏微观力学特性的影响。研究表明：颗粒间的抗转...     

侧向受拉脆性岩石压缩本构及蠕变失效研究

轴向压缩作用下,脆性岩石侧向应力严重影响岩石力学特性。侧向压应力影响下的轴向压缩岩石力学行为已经得到广泛研究,然而侧向拉应力对轴向压缩岩石力学行为影响研究很少。本文基于脆性岩石翼型裂纹扩展模型中,初始裂纹面法向应力与剪切应力的正负方向为判断依据,研究了侧向拉应力对轴向压缩力学行为的影响。发现恒定的侧向拉应力作用下,轴向压缩应力渐进变化过程中,脆性岩石内部细观初始裂纹面的法向应力只能为压缩应力,不存在拉应力情况。分析了从侧向压应力到拉应力转化过程中,脆性岩石轴向压应力与细观裂纹扩展长度关系、轴向压应力与轴向应变关系、岩石峰值强度、裂纹启裂应力及初始弹性模量的变化规律。并分析了侧向拉应力对岩石蠕变裂纹长度、裂纹速率、轴向应变及应变率演化曲线,以及对蠕变失效时间及稳态蠕变应变率的影响。讨论了侧向拉压应力突变转化以及侧向拉应力分级增大对轴向压缩岩石蠕变演化行为影响。该研究为深部地下工程围岩稳定性评价提供了一定理论依据。     

花岗岩破坏过程能量演化机制与能量屈服准则

为了明确岩石破坏的能量演化特性，结合单轴实验和颗粒流程序获得花岗岩的细观力学参数，进行不同应力状态的花岗岩实验，研究不同围压下花岗岩破坏过程的能量演化机理并推导能量屈服准则。获得以下主要结论:花岗岩破坏过程中低围压下内部损伤出现较早而高围压较晚，表明低围压花岗岩内部损伤是渐进发展过程，而高围压下内部损伤一旦出现便快速发展破坏；高围压花岗岩峰值前一定应变范围弹性应变能基本保持不变，吸收的能量全部转化为耗散能，表明高围压破坏时花岗岩内部损伤程度严重；弹性应变能经历不断积累并达到弹性储能极限而后减小的变化过程，而弹性储能极限与围压之间存在线性变化规律，因此高围压下岩体开挖卸荷时极易诱发大量弹性应变能的急剧释放，引起围岩失稳甚至发生岩爆；花岗岩峰值破坏时的能量比与围压无关，为一定值；基于能量原理导出了能量屈服准则，该准则包含岩性参数和所有主应力，能够综合反映岩石破坏影响因素。     

埋地冲洗管线强度计算及影响因素规律分析

研究了冲洗管线在自重、内压、温差和土壤力综合作用下的强度分析方法,给出埋地冲洗管线应力计算公式。采用有限单元法对某冲洗管线重点部位进行力学特性分析,得到其真实应力分布状态,对比了理论计算结果与数值结果误差,证实轴向应力理论计算结果偏保守。对不同壁厚、不同环境温度和不同压力下的管线力学特性进行讨论,结果表明,管道的环向应力起主导作用,且埋深0m~0.75m内管线的环向应力变化明显,因此,当考虑温差及波动内压作用时,该段管线力学特性应引起足够重视;受环境温度影响,管线最大等效应力与总位移规律近似相反,即等效应力最小,总位移近似最大;考虑到等效应力随压力变化规律,不同季节宜采用不同的冲洗压力以满足安全运行要求。     

土的工程力学性质的颗粒流模拟

基于颗粒流理论,引入不同的颗粒接触连接本构模型,分别建立了砂土和粘性土的颗粒流模型．通过颗粒流数值模型试验,对砂土和粘性土的室内平面应变试验及其剪切带形成和发展进行了数值模拟,分别对比了不同围压下颗粒流试样与室内试验的应力应变关系曲线,基本再现了砂土和粘性土试样应力．应变关系．通过砂土和粘性土PFC试样剪切带模拟表明,当围压较小时试样内部颗粒位移量小而且分布范围较广,当围压增大时,试样内部颗粒位移量也增大,而且发生较大位移颗粒的分布范围趋于集中,同时随着围压的增大试样内部形成明显的剪切带．无论砂土还是粘性土的PFC试样,随着围压的增加剪切带的形状趋于集中,而且剪切带宽度在减小．在围压很小时,试样内形成大的破坏区域,在围压较大时出现明显的线破坏区．这些规律基本与室内试验结果相似。     

砂岩峰后卸除围压过程的渗透性试验研究

为了探讨煤层开采引起的围岩卸除围压过程中砂岩渗透性的变化规律,本文用数控瞬态渗透法在电液伺服岩石力学试验系统MTS815.02上进行了砂岩试样的渗透特性试验。得出了试样峰前渗透系数-应变与应力-应变的关系曲线,以及在峰后保持轴向应变一定卸除围压过程中试样的渗透系数-围压与主应力差-围压的关系曲线;对试验砂岩在变形破坏过程中渗透性变化规律进行了总结,重点分析了其峰后卸除围压过程中渗透性的变化规律;并对试验砂岩峰后渗透系数与有效围压关系进行了拟合,得出了拟合方程式,为煤层开采引起的围岩体应力场与渗流场耦合问题提供参考。     

考虑接触应力非线性分布的接触力元模式及其验证分析

在作者提出的非连续变形计算力学模型中,采用接触力元模型描述多体接触界面上的接触特性．由于这种模型中假定接触应力沿接触界面为线性分布,从而得到的接触界面应力分布往往出现跳跃等非光滑性特征,该文对此进行了改进,采用具有高阶光滑性的非线性函数建立了能够考虑界面上接触应力非线性分布的接触力元模式,以期合理地揭示多体系统中界面的接触特性．对某一典型算例进行了数值计算,通过与大型通用非线性有限元结构分析软件ABASQUS的计算结果对比,验证了所建议计算模型的合理性与有效性．两种方法计算得到的界面接触对上的接触力基本相同;而由于采用的应力分布模式的假定不同,接触应力有所差别,由于在该文计算模型中接触对上的接触应力是按照未知量直接求得的,因此按照所建议的非线性接触力元模式所得到的接触应力更为合理．