密集颗粒物质的多尺度结构

颗粒物质是大量离散的固体颗粒相互作用而组成的复杂体系.依据颗粒排布的稀疏程度,体系可分为颗粒气体、颗粒流体和颗粒固体,它们有不同本质的动量传递和能量耗散机制.后两者属于密集颗粒物质体系,内部形成了颗粒→力链→体系的多尺度结构,并涉及多个特征时间尺度,是典型的多尺度体系.合理分割体系结构层次、正确理解不同层次的物理过程、并确定它们之间的关联是密集颗粒物质研究的核心任务.本文依次分析了密集颗粒物质的内在物理图像、多尺度结构层次和特征时间等,并介绍了多尺度研究框架.     

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.     

颗粒介质的弹塑性动态本构关系研究

本文运用多刚体系统动力学和微结构连续力学的理论方法，考虑了颗粒体的拓扑结构及颗粒体之间的局部非线性相互作用，通过引进恢复系数，导出了适合于大变形运动（包括平动与转动）情况下，颗粒体间的滑移和分离的客观弹塑性本构关系。     

颗粒物质中的多尺度问题

颗粒物质是大量离散的固体颗粒相互作用而组成的复杂体系. 依据颗粒排布的稀疏程度,体系可分为颗粒气体、颗粒流体和颗粒固体,它们有不同本质的动量传递和能量耗散机制.后两者属于密集颗粒物质体系,内部形成了颗粒$\to $力链$ \to$体系的多尺度结构,并涉及多个特征时间尺度,是典型的多尺度体系. 合理分割体系结构层次、正确理解不同层次的物理过程、并确定它们之间的关联是密集颗粒物质研究的核心任务.本文依次分析了密集颗粒物质的内在物理图像、多尺度结构层次和特征时间等,并介绍了多尺度研究框架.     

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...     

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.      

结构动力学模型中阻尼特性参数的修正

将结构分析计算的稳态位移响应和相应实测数据的差异映射为具有能量意义的误差范数，通过最小化该误差范数来修正与结构系统有关的阻尼特性参数．通过计算的或实测的频响函数获得稳态响应数据，使用的幅值在理论上完全包含了所有的复模态信息，参数值正过程采用迭代的方式．给出仿真算例，并对实验数据有噪声和无噪声两种情况进行了研究，结果表明方法合理且可行．     

颗粒介质结构与力学特征研究综述

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.     

含微裂纹和椭球颗粒介质的强度及本构关系

针对含随机分布微裂纹及椭球颗粒的复合材料，通过考虑椭球颗粒内的本征应变及其与微裂纹的相互作用，利用等效夹杂方法研究了微裂纹损伤对材料有效模量和强度的影响，推导了复合材料的细观应力场及本构关系，并导出了材料破坏的临界条件．     

玻璃钢及松软介质的本构模型

从弹塑性基本关系、流动关系准则及Ｈｏｏｋｅ定律出发，应用介质的动三轴、单轴和静水压实验规律，导出了物质的塑性势方程。对具体物质得到的塑性势Ｆ（ｉｊ，），在主应力和剪应力平面上为一闭合曲线，得到的本构关系表达式，对于砂土和玻璃钢两种介质进行计算，结果与实测值符合得很好。     

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.     

Shear bands in dense metallic granular materials

In this paper, the phenomenon of strain localization, i.e., shear banding, in densely distributed metallic assemblies has been studied. A discrete element methodology for analyzing metallic granular materials has been put forward. In this numerical model, elastoplastic contact, as well as friction, rolling resistance and cohesion between spheres, are explicitly taken into account. The calculations reveal that the shear banding mechanism in dense assemblies can be thought as an instability triggered by initial imperfections. Within a band, the motion, deformation and rearrangement of spheres soften the resistance of the aggregate, as these mechanisms create additional geometric imperfections. Additionally, the simulations showed that the shear-band width does not change conclusively with the friction, rolling resistance and plasticity parameters. However, cohesive strength, even in small amounts, drastically increased the shear-band width. Finally, the shear-band thickness and inclination angles are strongly dependent on the degree of initial imperfection. Whereas for a perfect assembly the shear band inclinations were consistently around 60°, more heterogeneous assemblies lead to shear band angles closer to the continuum mechanics solution, which is 45°. This was found to be in agreement with recent experimental observations.     

Change of scale in granular materials

This paper analyzes relationships allowing global variables to be deduced from local ones in granular materials. This change of scale is now clear for static variables but rather confusing for kinematic variables. This paper compares the various established formulations for kinematic variables and also proposes original formulations. By running numerical simulations all the formulations in question are compared and the basic premises to define the change of scale for kinematic variables in granular media put forward.     

Influence of porosity on the non-linear deformation of granular materials

An algorithm is suggested to determine non-linear deformative properties of granular composite materials with non-linearly deformed porous components. Stochastic differential equations of physically non-linear elasticity theory with the following use of conditional averaging are assumed as a basis. Solution of non-linear equations with respect to conditional moment is constructed by the method of successive approximation. The volume content of the components and pores in the components have been studied for their effect on the character of the strain curves of porous granular composite.     

Entropy productions in granular materials

Granular materials display more abundant dissipation phenomena than ordinary materials. In this paper, a brief energy flow path with irreversible processes is illustrated, where the concept of granular temperature T_g, initially proposed for dilute systems, is extended to dense systems in order to quantify disordered force chain configurations. Additionally, we develop the concept of conjugate granular entropy s_g and its production equation. Our analyses find out that the granular entropy significantly undermined the elastic contact between particles, seriously affecting the transport coefficients in granular materials and creating new transport processes.     

基于细观方向平均模型的颗粒材料宏观Cosserat连续体本构关系

提出了基于细观微-方向模型（Micro—Directional Model）的宏观Cosserat连续体本构关系。在细观尺度上考虑颗粒旋转自由度及接触力矩,微结构的影响通过接触分布函数体现。给出均质各向同性Cosserat连续体模型弹性常数的细观参数表达式,并建议了二维情况下内尺度参数的细观力学表达式。对颗粒材料宏观行...     

Sensitivity upon the constitutive relations in materials with memory

Consider a semigroup describing the evolution of deformations of an inelastic body. This work investigates the sensitivity of this semigroup with respect to variations of the inelastic constitutive relations, and contains a full well posedness (Lipschitz) result. Particularly relevant is the case of material constants determined experimentally.Received: 24 June 2004, Accepted: 13 November 2004, Published online: 4 March 2005PACS: 74D10 Correspondence to: R.M. Colombo