湿颗粒堆力学特性的离散元法模拟研究

利用基于线性黏聚接触模型的离散元法对不同颗粒系统的堆积过程进行了数值模拟研究,分析了颗粒形状和湿颗粒间液桥力对颗粒堆积形态的影响机理,获得了球形和块状湿颗粒堆基底表面所受的法向力以及堆中颗粒间的法向力和切向力"中心凹陷"式的分布规律,讨论了颗粒形状和黏聚能量密度对基底表面作用力和颗粒间作用力的影响.研究结果表明,颗粒形状和液桥力对颗粒堆的堆积形态具有显著的影响.堆积角随着黏聚能量密度的增加而增大,并且相同条件下的块状颗粒堆积角大于球形颗粒.颗粒形状和黏聚能量密度对基底表面所受作用力和堆中颗粒间的作用力变化及最大幅值均有影响作用.当黏聚能量密度值逐渐增大时,颗粒堆的作用力最大幅值均逐渐增大,并且块状颗粒堆的作用力最大幅值大于球形颗粒堆.当黏聚能量密度值过大时,颗粒堆力学特性更加复杂,液桥力对颗粒堆积特性的影响作用大于颗粒形状的影响.     

颗粒分层过程三维离散元法模拟研究

采用软球干接触模型对球形及非球形颗粒的分层过程进行了三维离散元法模拟研究,从颗粒间作用力、转动力矩和能量变化的角度分析了颗粒分层机理,讨论了颗粒的粒度比对分层速度的影响规律.结果表明,分层过程中,大颗粒比小颗粒活跃,非球颗粒由于具有较高的动能而比球颗粒活跃,在一定程度上弥补了颗粒形状对分层过程的影响.大颗粒间的平均法向、切向作用力、平均力矩及平均动能均大于小颗粒.颗粒分层速度随着粒度比的增加而显著增大,当粒度比大于临界粒度比3时,分层速度的增幅减缓.     

运动物体在颗粒物质中的动力学过程及最大穿透深度仿真研究

利用离散元法仿真了运动物体在颗粒物质中的三维动力学过程, 仿真采用周期边界条件, 并考虑了重力、接触力、阻尼力、摩擦力的影响. 将仿真结果和相关的三维实验结果进行了对比, 两者符合较好. 仿真结果表明穿透深度与运动物体的冲击速度、运动物体质量、颗粒介质床的密度均有关系. 运动物体质量越大, 速度越快, 则穿透越深, 而且穿透深度和质量呈线性关系. 仿真过程较为真实地再现了小颗粒的飞溅现象. 关键词： 颗粒物质 动力学过程 仿真 离散元法     

静态堆积颗粒中的力链分布

颗粒物质是由众多离散颗粒组成的软凝聚态物质,涉及多个物理层次结构和机制,是多尺度问题. 首先阐述了颗粒物质多尺度力学的研究框架,指出颗粒间接触力链构成的细观尺度是核心,颗粒物质显示出的独特静态堆积特性和动态流变特性都与细观尺度力链的复杂演变规律直接相关. 围绕着定量描述力链特征这一目标,采用严格的球形颗粒Hertz法向接触理论和Mindlin-Deresiewicz切向接触理论,对重力作用下12000个球心共面的二维等径颗粒静态堆积进行了离散动力学模拟,对力链分布特征、接触力规律等做了量化分析,考察了颗粒 关键词： 颗粒物质 力链 离散模型 多尺度力学     

颗粒介质的离散态特性研究

回顾了颗粒介质中应力的分布和传播模式以及物体在颗粒介质中运动所受阻力的研究进展，并报道了我们对颗粒体系中代表离散特性的颗粒尺寸效应对颗粒介质特性影响的研究.研究发现物体由于自身重量在颗粒介质中下沉的深度随着颗粒尺寸的增大单调减小；球体在下陷过程中受到的颗粒床的支撑力，除了在约1 mm范围的表面作用区域以外，与下陷深度之间满足很好的幂率关系，幂值在1.5—1.0之间，并且此幂值随着颗粒尺寸的增大而单调减小.颗粒床的支撑力与下陷深度的幂率关系可解释为颗粒介质内部应力结构重组的宏观反应结果. 关键词： 颗粒物质 离散介质力学     

湿颗粒聚团碰撞解聚过程的离散元法模拟

基于线性接触模型、库仑滑移接触模型以及平行黏结三种接触模型的组合, 利用离散元法对包衣结构的湿颗粒聚团与壁面碰撞解聚的物理过程进行了数值模拟, 研究了碰撞过程中湿颗粒聚团解聚模式、解聚过程中聚团内各颗粒的速度变化以及颗粒间液桥断裂的规律, 分析了聚团的碰撞速度、黏附小颗粒的重力以及中心大颗粒的旋转对聚团解聚的影响. 研究发现: 聚团的碰撞解聚呈现出碰撞式、重力-碰撞式和剪切-碰撞式三种解聚模式. 湿颗粒聚团与壁面的碰撞打破了聚团内颗粒速度的一致性, 颗粒间出现相对运动而使颗粒间的液桥发生拉伸断裂. 液桥的断裂由聚团的碰撞点向外、由底部向上、由内层向外扩展. 聚团内液桥的断裂经历了缓慢断裂、快速断裂和完全断裂三个阶段. 碰撞速度越大, 黏附的小颗粒质量越大、大颗粒的转速越高, 湿颗粒聚团的缓慢断裂阶段越短暂且解聚程度越高. 模拟结果和实验符合.     

颗粒离散元模拟中的阻尼系数标定

离散元模型中所采用的阻尼系数是不确定的,经常凭主观经验设定.为了使得物理模型与现实中的颗粒动力学属性符合更好,通过采用声频采样技术对物理模型中的阻尼系数进行标定,得出与实验符合的阻尼系数应为0.5左右.利用标定后的阻尼系数模拟了一元颗粒在圆柱形容器里的随机堆积过程,得到最终的堆积密度为0.625,与经典的实验结果一致.研究证明,在得到模型阻尼系数的同时,也确认了数值模型的正确性和用声频采样技术进行高精度碰撞时间检测的可行性. 关键词： 颗粒堆积 阻尼系数标定 声频采样 离散元法     

颗粒物质中的空洞效应

通过实验研究了颗粒体系内部的空洞对整个颗粒体系的影响.当在颗粒体系中向上提拉探测棒时,棒下端即刻产生空洞.由于空洞的存在,将导致整个颗粒体系内部结构的崩塌,崩塌的情况可通过测定棒受到的摩擦力来研究.实验发现整个体系崩塌的时间t与空洞产生的深度h间存在着一个指数的对应关系,即t正比于exp(h/λ),并且这个关系不随颗粒尺寸的变化而改变.同时,还进行了二维的辅助实验,对颗粒体系内部的情况进行了较为细致的观察.     

颗粒物质中静摩擦力与接触面形状有关

用实验方法研究了探测棒在颗粒物质中受到的最大静摩擦力与棒截面形状的关系.观测到圆棒受到的最大静摩擦力最大,方棒次之,扁棒最小.根据力的传递原理,分析棒形状对颗粒物质内部力链传递的影响,计算结果与实验基本吻合.     

颗粒堆内微观力学结构的离散元模拟研究

将离散单元法应用到三维堆积过程的模拟计算,探讨了滑动摩擦及滚动摩擦对堆积形成的影响,得到了颗粒堆内部的应力分布规律,发现颗粒堆的形态是由滑动摩擦和滚动摩擦共同决定的,在堆内颗粒间的作用力基本呈树状结构.在模拟得到的颗粒堆中出现了应力分布奇异现象,在堆积角较大的情况下,颗粒堆与地面间作用力的最大值常发生在距堆底中心不远的环状区域,而并非发生在堆底的中心;在堆积角相对较小时颗粒堆与地面间作用力的最大值较容易发生在堆底的中心.对于一个颗粒堆,具体会发生哪种受力情况具有一定的偶然性. 关键词： 堆积 离散单元法 计算颗粒力学     

颗粒物质中圆棒受到的静摩擦力

通过实验研究了圆棒在颗粒物质中受到的摩擦力与颗粒填充高度及棒径的关系.观测到摩擦力随颗粒高度和棒径而增大.用连续介质模型推导了摩擦力公式，与实验观测基本一致.结果表明，摩擦力和棒径成正比；当颗粒高度很小时，摩擦力与颗粒高度平方成正比；而当颗粒堆积很高时，摩擦力与高度成正比，即静摩擦力与接触面积成正比. 关键词： 颗粒物质 摩擦力     

颗粒物质的多尺度结构及其研究框架

颗粒物质力学的研究刚刚起步,目前很多方面还不完善.文章作者认为,该学科是应用性很强的基础学科,因此提出了从实际应用中去发现科学问题,进而促进颗粒物质力学基础理论发展的研究思路,并以土力学为例做了说明.土是岩石经风化作用,由重力、流水和风力等搬运和沉积而成的产物,是密集颗粒物质体系之一.土粒是构成土体骨架、传递载荷的基本单元,与颗粒间复杂分布的孔隙水、气体共同决定了土体的非线性本构关系、剪胀（剪缩）和应力路径相关等复杂特征.以研究密集分布颗粒体系的颗粒物质力学在近20年内得到充分发展,它侧重现象的机理分析和实验的精细检测,为土力学的基础研究提供了重要启示.基于文章作者多年土力学和颗粒物质力学的研究经验,提出了土体具有多尺度结构的观点：除微观的单颗粒尺度和宏观土体尺度外,细观尺度的力链是颗粒接触力传递的路径,是存在于土体内的相对稳定的结构体.建立了初步的理论研究框架,提出了力链网络的复杂动力学响应决定土体复杂本构关系的基本设想.下一阶段将从理论分析、物理试验和基于自主开发的颗粒离散元模拟3个方面进行研究,逐渐充实土力学多尺度理论体系,以期取得突破.     

不同形状的棒在颗粒物质中受到的静摩擦力

通过实验对横截面周长相同、形状不同的棒在颗粒物质中受到的最大静摩擦力进行了研究.实验结果表明:相同条件下,圆棒、方棒和扁棒受到的最大静摩擦力各不相同.用水平面上颗粒分层、对称分布模型对实验结果进行了定量分析.     

剪切振动下湿颗粒的力学谱

在恒温25 ℃剪切振动条件下,测量不同水分含量的NaCl湿颗粒体系的力学谱（能量耗散tanφ和剪切模量G）.研究发现,随着剪切振幅增大,NaCl湿颗粒体系的剪切模量G和能量耗散tanφ都表现出类似于干颗粒体系的阻塞（Jamming）转变行为.随着体系中水含量的增大,湿颗粒体系的剪切模量G和能量耗散tanφ在质量分数约等于11%的临界水浓度下均出现一个峰值,且峰位与应变振幅无关,表明此时颗粒之间主要的作用力发生了变化.     

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     

二维颗粒体系单轴压缩形成的力链结构

从接触力、能量分布和接触网络结构特点出发,提出了强力链的力大小(Fc)判据(Fc大于平均接触力〈F〉)和角度θc判据(θc=180/〈Z〉,其中〈Z〉是平均配位数),指出强力链和弱力链是本质不同的两类结构存在于颗粒体系中,其中强力链网络与体系的宏观性质直接相关.以二维颗粒体系的单轴压缩为例,计算发现了强力链长度的幂率分布规律,分析了侧向压力系数与相应强力链网络结构的关系:当内部强力链网络充分发育而不再变化时,侧向压力系数趋于稳定数值.     

颗粒物质(上)

颗粒物质是地球上存在最多、最为人们所熟悉的物质类型之一．大量颗粒组成的离散态物质体系具有特别的性质和运动规律．颗粒物质表现出许多不同于固、液、气物质的奇特现象和独特的运动规律．由于对颗粒物质运动规律的理解具有重要科学意义和应用背景，近十年来颗粒物质研究逐步成为物理学研究中的一个活跃领域．文章综述了颗粒物质的一些主要特性，如颗粒物质的静态性质、振动行为、流动特性等，其中也包括文章作者的一些新近研究结果．限于篇幅，文章分为上、下两部分发表．第一部分在对颗粒物质作一般介绍后讨论颗粒物质的静态特性，第二部分则主要讨论颗粒物质振动时的行为和流动性质．