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.     

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.      

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.      

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。     

双轴压缩下颗粒物质接触力与力链特性研究

为探究双轴压缩过程中颗粒物质接触力与力链特性,采用离散元法研究双轴压缩过程,得到双轴压缩过程中颗粒体系宏观力学特性,即偏应力、体积应变变化规律,并通过对接触力大小分布规律、接触力角度分布规律等细观层次分析,完成接触力大小、力链方向性量化描述,同时探究围压对颗粒物质力学特性的影响。研究表明,双轴压缩过程经历应力强化、应力软化、应力波动三个阶段。在各阶段,强接触与总体接触的各类型接触力大小分布规律可采用高斯函数或指数函数拟合,弱接触的法向与总接触力分布较为均匀;直径较大颗粒上具有接触力集中现象,集中程度随着围压升高而加强;力链网络形态经历"鱼鳞"状-"柱"状-"拱"状-"龟壳"状演变,由初始时基本各向同性,逐渐向最大主应力y向偏转,表现出强烈各向异性,最后又经历小幅度偏转偏离y向。不同围压下力链分量比变化规律证实了该发现,接触力角度分布规律也从力链承载方向验证了此结论。研究结果将为探究双轴压缩中颗粒物质力学特性提供理论基础。     

基于G2值法的二维光弹颗粒体系力链研究

力链是颗粒体系研究中的重要概念，是微观现象的集中体现，对宏观颗粒物质体系起着重要作用。采用光弹方法对受竖向荷载作用的混合直径颗粒体系进行加压实验，结合数字图像处理技术和G²值法(彩色梯度均方值算法),分析了颗粒体系在竖向荷载作用下几何结构的变化以及接触力、力链网络的分布情况。首先通过数字图像处理技术统计出颗粒体系在不同竖向荷载作用下的接触向量角度分布情况，发现其集中分布区间只是在区间分布频率上出现小幅波动，竖向荷载的增大并不会对整体分布产生影响。然后通过G²值法求出了颗粒体系的G²值，并对单个颗粒的G²值和平均接触力F的关系进行了拟合，结果表明，光弹颗粒的G²值随着F的增大而增大，接触点少的颗粒G²值反而偏大。接着通过拟合公式计算出单个颗粒的接触力，根据其与平均接触力的比值频率统计结果画出接触力频率分布曲线，从曲线结果来看，竖向荷载的增大能够让颗粒体系中直径较小的颗粒接触力更加接近平均接触力，分布更加统一；直径较大的颗粒能够支撑起更多的荷载并接触到更多其他...     

基于PFC~(3D)的砂土直剪模拟及宏细观分析

为能更好地分析砂土在剪切过程中的体积变化及力学行为,通过PFC~(3D)颗粒流程序,按照室内实际级配建立数值试样,进行了不同垂直压力下的砂土直剪试验模拟,并将模拟结果与室内试验结果进行了对比;研究了砂土在剪切过程中的体积变化,并用两种方法分析了砂土剪切带的演变过程;从细观角度对试样颗粒的速度场及力链网络的发展变化进行了分析研究。结果表明,数值模拟结果与室内试验结果基本一致,砂土的体积变化表现为先剪缩后剪胀,剪胀量与垂直压力成反比;剪切带厚度约为11～12倍d_(50),在剪切带内颗粒的位移和欧拉角变化较大;试样内部强力链的演变较为明显,力链网络对外荷载变化的敏感性很高;剪切过程中上盒颗粒速度场方向的变化能够较好地解释砂土产生的剪胀现象。     

基于DIC的受载砂土颗粒体系的细观参数及运动分析

本文结合DIC方法对砂土体系进行可视化的直剪试验。通过对所采集的数字图片进行预处理,得到利于计算砂土体系细观参数的优质图片,经过图像分割和区域标记,最后利用MATLAB计算得到体系孔隙率、定向率和各向异性率等细观参数。对图像进行DIC计算分析,得到砂土颗粒体系的位移等值线云图,分析了体系内的砂土颗粒在直剪试验中的运动情况,并定性描述了位移突变对体系部分力链传递过程的影响。     

筒仓泄料过程中阻塞现象的数值模拟

基于颗粒材料离散颗粒模型及颗粒流方案,通过数值试验研究了筒仓泄料过程中影响颗粒流发生阻塞的若干因素,给出了阻塞概率随筒仓底部开口半径及倾角、颗粒间摩擦系数及颗粒粒径分布的关系曲线.基于颗粒簇的概念,进一步研究了颗粒形状的影响,并对颗粒材料阻塞时的力链分布特征进行简要分析.     

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.      

水平摆振下环形巴西果分离效应模拟研究

为了研究水平摆振下混合颗粒体系的分离行为及其机理,利用离散单元法进行数值模拟,对二元混合颗粒振动下的运动行为进行了研究,观察到圆筒形容器内一种新的分离现象,即"环形巴西果"分离。通过对比不同振动参数、不同区域内混合颗粒体系的运动特性,分析了颗粒的整体流态、能量、离心力作用以及颗粒间的力链结构强度,对混合颗粒的中心偏析、边界堆积以及整体分离行为,揭示了"环形巴西果"分离构型的内在机理。结果表明:频率为1Hz、振幅为160°时,混合颗粒出现"环形巴西果"分离现象;频率为3Hz、振幅为40°时,混合颗粒出现"巴西果"分离现象,且通过调整振幅和频率可以控制中心区域大颗粒偏析程度,实现"环形巴西果"分离构型与"巴西果"分离构型之间的转换。     

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.      

颗粒流润滑系统力传输行为的试验研究

为了研究颗粒流润滑状态下的力传输行为,设计了一个剪切平行板间颗粒流润滑的试验装置.利用该试验装置,研究了颗粒材料、颗粒尺寸、剪切速度和颗粒湿度对颗粒流润滑状态下力传输行为的影响.此外,试验结果主要考虑了测量得到的法向力和切向力,这些力是从下摩擦副通过颗粒润滑介质传递到上摩擦副的.研究结果表明,测量得到的法向力和切向力随着剪切速度和颗粒湿度的增大而减小,随着颗粒尺寸的增大而增大.颗粒流润滑比干摩擦具有较好的润滑效果,比油润滑具有更好的承载性能.颗粒流润滑状态下的力传输路径主要决定于颗粒润滑介质之间的力链.试验结果揭示了颗粒流润滑时的力传递机制并可以为颗粒流润滑的工业应用提供指导.     

铁路道床有砟-无砟过渡段动力特性的DEM-FEM耦合分析

针对铁路道床有砟-无砟过渡段的结构特点,采用离散元-有限元耦合模型分析散体道砟和无砟道床间过渡段的动力特性。散体道砟道床和无砟道床分别采用离散元方法 DEM和有限元方法 FEM模拟,而在过渡段将道砟颗粒嵌入无砟道床以增加道砟颗粒与无砟道床间的咬合力,并在离散元和有限元耦合区域实现了力学参数的传递。采用以上DEM-FEM耦合方法对有砟-无砟道床及其过渡段在列车荷载作用下的沉降过程进行了数值分析。计算结果表明,离散元方法中道砟颗粒间的力链呈现非对称梯形分布,其与有限元方法中的应力分布趋势一致;采用嵌入式道砟颗粒的方法可以增加有砟-无砟过渡段道砟间的咬合力,有效约束道砟颗粒的位移,减少有砟-无砟道床间的沉降差异。本文计算模型可以合理地分析有砟道床的力链分布以及无砟道床的应力分布,确定列车荷载下道床有砟-无砟过渡段的动力学行为。     

颗粒层横向推移过程离散元仿真与参数分析

针对颗粒层横向推移过程,展开了物理试验及离散元仿真分析。采用物理试验方法对颗粒的物性参数进行了测定,并实测了颗粒层推移过程的推移力大小,进行了颗粒层横向推移过程离散元仿真模型的调试,通过仿真-试验结果的对比分析验证了仿真模型的合理性。利用所建立的仿真模型分析出:推移力斜率与静摩擦系数呈近似正比关系,颗粒堆积坡角度也随静摩擦系数的增大而增大;发现了摩擦系数增大造成推移力增大的力链机理,推板倾角增大会降低推移力增大速率,使推移力转变点位置靠近终点墙及增大竖直方向附加力。     

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。     

回转窑多粒径颗粒流动与偏析的DEM模拟与实验研究

为明晰回转窑内颗粒的运动行为及偏析机理,以绿豆、黄豆和黑豆为颗粒介质,依次对3种装填顺序下的颗粒流动过程进行离散元模拟与实验研究,以颗粒质量分数和平均粒度为判据,对颗粒偏析进行评价。结果表明,回转窑内颗粒流动区可分为自由滚落区、渗流呆滞区以及窑壁携带区,自由滚落区颗粒流速最大,而渗流呆滞区流速最小。窑内颗粒沿轴向输运过程发生径向偏析,形成夹层结构,小颗粒受渗流作用在渗流呆滞区中心形成内核,大粒径和中等粒径颗粒集中在自由滚落区和窑壁携带区。窑内颗粒力链分布不均匀,强力链分布于近窑壁区,弱力链分布于自由滚落区和渗流呆滞区,且渗流呆滞区力链细而密集。当窑头附近不同粒径颗粒存在轴向速度差时,颗粒在轴向发生掺混,并产生径向偏析。     

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.     

颗粒材料三维应力路径下的接触组构特性

颗粒材料的宏观应力变形特征与其微观接触力、组构等紧密相关.一般而言,强接触系统属于颗粒内部体系的传力结构,其对应的组构张量是影响宏观应力性质的重要因素.细观数值方法(如离散单元法)能够反映物理试验的基本规律,并且可以方便地提取宏微观数据来研究颗粒体系的应力变形机制.采用离散单元法(discrete element method,DEM)进行一系列等$p$等$b$应力路径下颗粒材料的真三轴试验,在此基础上研究了三维应力路径下颗粒材料的宏微观力学参数的演化过程、三维组构张量与应力张量多重联系以及强接触体系反映的宏观应力特征.研究表明:颗粒体系偏应力峰值状态和临界状态均存在与加载路径无关的宏微观特征;三维应力路径下组构张量与应力张量存在非共轴性,但其联合不变量演化过程表现出加载路径无关的特征;与弱接触系统的组构张量相比,强接触系统的组构张量更能反映宏观应力张量的特征;强弱接触体系的组构张量对颗粒体系宏观响应的贡献不同,其分界点存在一定取值范围,但采用平均接触力较为简单合理.