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.     

材料三维微结构表征及其晶体塑性有限元模拟

材料的力学性能，尤其是在有限变形下所呈现的宏观各向异性，是材料结构设计和服役寿命考虑的关键因素。由于宏观模型不能较好地反映材料微观结构（晶粒的形貌和取向等）对宏观塑性各向异性的影响，因此，本文建立了能实际反映晶粒形貌的三维Voronoi模型，并基于晶体塑性理论对铝合金在有限变形下的响应进行计算。首先，建立反映材料微结构的代表性体积单元RVE模型进行计算，并与实验结果进行对比验证。然后，以单向拉伸为例，分析了有限变形过程中试件的晶粒形貌和取向分布等微观因素对宏观各向异性演化的影响，并从材料和结构两个层面讨论了微观结构对宏观力学性能的影响。结果表明，本文模型能够反映微观结构对宏观力学性能的影响，为实际生产制造领域构件的力学性能提供可靠的预测。     

平面偏心结构的三维能力谱方法

基于单自由度模型的性态评估方法,无法考虑偏心结构平扭耦联效应且不便于考虑双向地震动输入,存在很大的局限性.本文在对水平偏心结构模态分析的基础上,利用OpenSees构建等效三自由度模型(ETDOF),将该模型用于双向地震动作用下偏心结构平扭耦联简化计算和性态评估.在对ETDOF模型进行振动特性分析的基础上,基于等位移原...     

一种改进的结构拓扑优化水平集方法

针对有限的结构设计区域,界面力的大小和作用的位置以及部分给定位移的结构边界始终保持不变的要求,为了解决基于水平集方法的结构边界演化停滞等问题,导出了基于水平集演化的结构拓扑优化所需的法向速度场.研究了由该法向速度场导出的序列解的收敛特性,并建立了一套新的结构柔顺度为目标函数,体积为约束条件的水平集演化算法,给出的算例验证了该方法的正确性和有效性.     

Constitutive response of idealized granular media under the principal stress axes rotation

This paper is dedicated to the understanding of the phenomena, which give rise to anisotropy and non-coaxiality in granular materials. In achieving three-dimensional numerical simulation under static condition of granular media, granular element method (GEM) is adopted in this study. The method has been incorporated into the so-called mathematical homogenization theory for quasi-static equilibrium problems, which enables us to obtain the macroscopic/phenomenological inelastic deformation response of a representative volume element (RVE). To examine the anisotropic macroscopic deformation properties of the assumed RVE, which is solved by granular element method (GEM), a series of numerical experiments involving the pure rotation of the principal stress axes are carried out, and its results are discussed in relation to induced anisotropy and non-coaxiality.     

结构动力分析中时间积分方法进展

叙述了结构动力分析中时间积分方法的最新发展情况,对这一领域的基本原理和思想进行了总结,重点介绍一些新型计算方法的基本性质,为时间积分方法的进一步研究奠定基础。     

多点激励反应谱法的理论研究

基于虚拟激励原理建立了多点激励反应谱法。该方法所表示的结构地震动反应由三部分组成,即拟静力响应、动力响应及二者的耦合响应,其中拟静力响应是由地面各点输入位移不一致引起的;动力响应主要是由结构在地面加速度作用下引起的;当结构自振周期小于2s时,拟静力响应与动力响应之间的耦合项可以忽略。该方法计算公式形式简洁,物理意义明确,且与我国现行《抗震规范》中的一致激励反应谱建立了定量关系。在推导过程中,未做任何特殊简化,因而该方法在理论上是严密的。     

湍流的相干结构:推演方法和结果

本文讨论壁面湍流发展的相干结构的观点.在简要的历史文献综述后,我们回顾一些基本观点, 并且介绍相干结构的思想.基于大量主要是由实验所得的结果,本文通过广泛运用的事件检 测技术,探讨湍流边界层内部和外部区域发生的现象.我们从边界层内部区域发生的现象、 边界层外部大尺度运动的发展和涡结构动力学的角度来描述流动的现象.在文章的 第2部分,介绍从背景流动中推演出湍流相干结构的各种方法以及在各种方法框架下所得到的结果, 讨论速度梯度张量不变量、压力的Hessian矩阵分析和本征正交分解等方法.每一个过程 都有``相干结构'的特定的定义,满足恰当的数学构架,并可以对湍流数据做相干结构动力 学分析.这一工作可能会对当前流体动力学家在湍流研究中用到的最新理论和技术的传播有 所贡献.     

Evolution of functional connectivity in contact and force chain networks: Feature vectors,k-cores and minimal cycles

We analyze the rheological response, i.e., fabric and contact force evolution, of dense granular materials from a complex networks perspective. The strain evolution of three classes of subnetworks, i.e., k-cores, minimal cycles and force chain networks, elucidates the breakdown of functional connectivity and structure in the lead up to and during failure. Feature vectors and dynamics occurring in such networks in three different biaxially compressed two-dimensional samples reveal some common aspects which are suggestive of an intrinsic structural hierarchy in granular networks – while differences shed light on the influence of confining pressure and interparticle rolling resistance on the evolution of these networks both at the mesoscopic as well as macroscopic levels.     

精细积分法应用于地震碰撞力反应谱计算研究

相邻结构的碰撞时程分析是计算地震碰撞力反应谱的基础。结构碰撞时程分析要求采用稳定性好、精度高及计算效率高的数值分析方法。精细积分法将二阶动力微分方程通过增元降阶的方式转换成Hamilton对偶变量体系,得到了动力微分方程的精确解。基于此,本文将精细积分法引入结构碰撞时程分析及地震碰撞力反应谱计算中。在推导精细积分法公式的基础上,在MATLAB环境下编制了结构碰撞时程分析程序和碰撞力反应谱计算程序,并实现了碰撞力反应谱程序的并行化。经算例验证,精细积分法应用于结构碰撞时程分析及地震碰撞力反应谱计算是可行的,程序计算结果准确。     

La30Ce30Al15Co25金属玻璃应力松弛行为

作为潜在的工程材料, 金属玻璃在材料科学和凝聚态物理等领域引起广泛的研究兴趣. 金属玻璃结构与性能的关系表明, 金属玻璃的动态非均匀性与其黏弹性和塑性紧密相关. 然而, 宏观应力松弛行为与动态弛豫之间的物理图像并不清晰. 与传统金属材料不同, 金属玻璃的变形机理非常复杂. 应力松弛是一种表征玻璃体系黏弹性和塑性变形机制的有效手段, 从而探索结构和动态非均匀性. 本研究以La₃₀Ce₃₀Al₁₅Co₂₅金属玻璃为模型体系, 在较宽的温度窗口研究了其应力松弛行为. 研究结果表明, 与传统金属玻璃不同, La₃₀Ce₃₀Al₁₅Co₂₅金属玻璃具有明显的β弛豫行为. 基于Kohlarausch-Willams-Watts (KWW)方程的分析表明, 金属玻璃应力松弛为动态不均匀过程; 热动力学分析发现La₃₀Ce₃₀Al₁₅Co₂₅金属玻璃应力松弛存在显著的双阶段行为, 即从高应力条件下应力驱动为主导的松弛行为, 向低应力下热激活为主导的松弛行为发生转变. 通过激活能谱模型分析表明, 应力松弛单元的激活并非均匀, 而是存在能量上的起伏, 金属玻璃对于外力响应是一个渐进过程, 具有动力学不均匀性. 本研究进一步构建了金属玻璃的结构和动态非均匀性之间的关联, 为研究金属玻璃的α弛豫和β弛豫提供了强有力的支撑.      

Dynamic Inter-Particle Force Inference in Granular Materials: Method and Application

Inter-particle force transmission in granular media plays an important role in the macroscopic static and dynamic behavior of these materials. This paper presents a method for inferring inter-particle forces in opaque granular materials during dynamic experiments. By linking experimental measurements of particle kinematics and volume-averaged strains to forces, the method provides a new tool for quantitatively studying force transmission and its relation to macroscopic behavior. We provide an experimental validation of the method, comparing inter-particle forces measured in a simple impact test on two-dimensional rubber grains to a finite-element simulation. We also provide an application of the method, using it to study inter-particle forces during impact of an intruder on a granular bed. We discuss the current challenges for applying the method to both model materials and real geologic materials.     

Topological evolution in dense granular materials: A complex networks perspective

One of the great challenges in the science of complex materials – materials capable of emergent behavior such as self-organized pattern formation – is deciphering their “inherent” structural design principles as they deform in response to external loads. We have been exploring the efficacy of techniques from complex networks to the study of dense granular materials as a means to: (i) uncover such design principles and (ii) identify suitable metrics that quantify the evolution of structure during deformation. Herein, we characterize the developing network structure and loss of connectivity in a quasistatically deforming granular medium from the perspective of complex networks. Attention is paid to the evolution of the contact and contact force networks at the local or mesoscopic level, i.e., a particle and its immediate neighbors, as well as the macroscopic level. We explore network motifs and other topological properties at these multiple length scales, in an attempt to find that which best correlates with the constitutive properties of nonaffine deformation and dissipation, spatially and with respect to strain. Key processes or rearrangement events that cause loss of connectivity within the material domain, e.g. microbanding and force chain buckling, are investigated. Network statistics of these processes, previously shown to be major sources of energy dissipation and nonaffine deformation, are then tied to corresponding trends observed in the evolving macroscopic network. It is shown that consideration of the unweighted contact network alone is insufficient to tie dissipation to loss of material connectivity.     

航天器噪声试验中结构振动响应预示方法研究

航天器在随运载火箭发射过程中要承受严酷的噪声环境,需通过噪声试验来检验航天器承受噪声环境并能正常工作的能力.航天器噪声试验中结构振动的响应特性是结构强度设计应该考虑的因素之一,更是制定器上组件随机振动试验条件的重要依据,因此有必要在航天器研制初期对噪声载荷作用下的结构振动进行响应预示.文章应用商用有限元分析软件MSC.Patran和MSC.Nastran建立了某型号航天器结构舱板的有限元模型,将噪声载荷声压谱转换为脉动压力功率谱密度,进而采用模态法分析结构在噪声载荷作用下的随机振动响应,并将仿真预示结果与试验结果进行对比研究,在仿真分析中考虑阻尼参数模型和流场附加质量效应等因素的影响;通过研究表明:采用阻尼比随频率提高而减小的经验阻尼参数模型可以较好地反映中高频响应特性、得到较为准确的总均方根响应分析结果,进一步采用虚拟质量法考虑流场附加质量效应可以得到较为准确的功率谱密度响应分析结果.文章提出的仿真分析方法建模简便、计算成本低,适用于在航天器研制初期对航天器噪声试验中的结构振动进行响应预示.      

利用结构基因法研究非线性周期性板结构的等效力学性能

非线性周期性板结构是一类在智能复合材料领域具有巨大应用潜力的结构,因其构成材料的非线性特性,以及结构中经常包含增强纤维、肋板和空洞等复杂微结构导致的材料几何非线性,利用常规的有限元方法进行建模和分析较为困难.本文提出了一种结构基因法,通过提取非线性周期性板结构的最小模型单元作为其结构基因,将异质周期性板结构等效为均质板结构,便捷地求解了非线性周期性板结构的微观力学性能和整体等效力学性能.算例表明,结构基因方法可用来分析复杂非线性复合材料结构问题,计算结果精度足够,为复合材料微观力学研究提供了有价值的参考.     

建筑结构基于巴斯金风速谱的系列风振响应的简明封闭解

针对巴斯金风速谱激励下的建筑结构顺风向振动响应表达式复杂的问题,提出了一种简明封闭解法.巴斯金随机谱广泛应用于描述脉动风、随机地震动和路面不平顺等各种随机激励,本文基于留数定理给出巴斯金风速功率谱的二次正交式.综合运用复模态法和虚拟激励法获得了建筑结构系列响应(位移、层间位移及其变化率)功率谱的统一形式的二次正交式,并根据谱矩的定义获得了建筑结构系列响应的方差和谱矩及绝对加速度方差的简明封闭解.运用本文方法对一8层建筑结构进行分析,并与传统虚拟激励法进行对比研究,表明本文所得封闭解正确,并可用于验证虚拟激励法在谱矩和方差分析时的精度和效率.由于本文方法含有复模态法,故可用于各类线性结构基于巴斯金谱的随机响应分析和基于动力可靠度及舒适度的动力优化分析.     

岩土类颗粒物质宏-细观力学研究进展

岩土类颗粒物质在自然界、工程建设以及日常生活中普遍存在,其运动特性的研究在力学界已经开展了几十年.在近20年开展的一系列小尺寸物理实验中,颗粒物质表现出许多新奇现象,人们从物理角度开展了系统研究,在统计力学中,颗粒固体的流体动力学等理论研究以及实验检测技术等方面都取得突破性进展,深刻地揭示了颗粒材料的物理机制,促使力学...