论文摘要
颗粒材料在各种工程条件下的广泛应用对深入了解颗粒材料的基本物理特性、力学特性以及复杂多相特征提出了较高的要求。尤其对于岩土类材料,在不同的工程背景中颗粒材料存在多种复杂的承载模式,虽然目前存在诸多能宏观表征材料应力应变关系的本构模型,但要能全面反映多个尺度下的颗粒力学和变形机制仍需进行深入探索。因而,研究颗粒细观层面上的结构特性和局部变形模式,对细致了解颗粒体系的承载机理以及建立宏细观特征之间的相关关系就显得十分重要。颗粒接触摩擦特性、颗粒形状、宏观加载应力路径和初始固结特征等均对颗粒材料的宏微观行为造成各个方面不同程度的影响。同时针对自然界普遍存在的非连续级配材料,复杂的局部结构、较大的粒径差距以及混合体系鲜明的结构特征均使得其力学性能十分复杂,混合颗粒体系的宏观强度、细观特征结构、塑性失稳机制以及颗粒运动动力学特征均有待于全面深入地研究。本文选择以二元混合颗粒体系为对象,采取离散单元方法,通过多种加载模式、颗粒接触条件以及应力路径探讨了连续均匀级配以及二元混合颗粒体系的宏观、介观和细观层面下的力学和几何特征,研究了混合体系中的塑性变形特性、失稳过程机制以及颗粒运动的统计学特征。在定量表征颗粒形状的基础上,探索了粗细颗粒形状对强度和变形特征的影响规律。其中主要研究内容和结论总结如下:（1）深入研究了颗粒材料细观结构表征及直剪抗转动效应。颗粒材料的滚动摩擦系数显著影响了直剪作用下的宏观强度和细观结构,临界状态下的偏应力比与孔隙比在不同滚动摩擦系数下呈现线性相关,滚动摩擦系数本身也与应力-组构联合不变量呈现线性关系,应力与组构的主方向在不同滚动摩擦系数下的线性关系十分相近;滑动摩擦相比于滚动摩擦更能显著提高峰值强度,颗粒抗转动性能也能有效提高颗粒集合体整体摩擦激励水平;颗粒抗转动性能造成了试样不同剪切区域的细观结构差异,尤其表现在局部孔隙比以及滚动摩擦所形成的拱效应方面;接触力链承载能力、力链长度以及各向异性特征均受到颗粒间抗转动性能的影响。（2）研究了颗粒材料的初始各向异性和复杂应力路径的影响。三维颗粒材料的初始各向异性固结程度造成了材料初始细观结构的差异,且在初始应力比条件和应力路径联合影响下,材料的小应变刚度受到显著影响,中主应力比的增加也会增加八面体刚度;初始各向异性的增加对应着临界状态下的剪胀程度和孔隙比的减小,各种初始各向异性条件下,中主应力比与最大剪胀率均呈现线性相关关系;不同初始条件下应力剪胀关系的斜率差别较大;建立了宏细观参数之间的定量关系,确定了接触力传递特性以及接触方向分布在不同初始条件和应力路径下的不同特征。（3）研究了二元混合颗粒体系的宏观特征受细颗粒含量影响的力学和几何机制,建立了不同细颗粒含量下峰值强度与等效孔隙比的相关关系;混合体中不同接触类型的接触力大小分布、力学贡献以及比例演化过程均受到细颗粒含量的影响;基于占有绝对比例的接触类型所导出的各种各向异性参数均与全局接触下的各向异性参数近似,同时根据应力-组构-接触力所计算出的全局接触下的偏应力比跟基于较大比例的接触类型所算出的偏应力比保持一致,根据粗颗粒相关的接触类型所计算的应力比跟全局应力比也高度相近;将混合体接触体系按照强弱接触、滑动非滑动接触进行分类,发现针对强接触与非滑动接触双重条件下的接触法向各向异性与宏观应力比呈现线性关系,且线性关系的斜率随着细颗粒含量的变化而变化;论证了强、弱接触对于各向异性程度的不同贡献。（4）探究了二元混合体的局部结构参数及其概率分布特征,以及不同细颗粒含量下混合体系堆积性态的差异性,通过径向函数空间分布的各向异性程度分析了混合体结构在不同方向的堆积状态差异性;局部应变特征的分布在不同细颗粒含量下呈现不同的幂律衰减规律;分析了发生较高塑性应变的颗粒中粗颗粒与细颗粒各自的相对比率随细颗粒含量改变而变化的规律;塑性变形在较低细颗粒含量的试样中十分明显,对于细颗粒充分填充粗颗粒骨架的二元混合体系,粗颗粒与细颗粒之间的接触面附近区域形成了塑性变形的集中域;定量地研究了各类局部特征参数之间的相关关系,因而研究了不同局部结构特性之间的相互影响规律。（5）集中探讨了二元颗粒混合体系在分散性失稳过程中的细观成因。对应于宏观失稳过程,分析了剪胀角、滑动摩擦角、各向异性和子接触体系等在失稳过程中的演化规律;比较了不同接触类型的比例以及基于接触类型的有效配位数在失稳过程中的演化特点;基于三维力链结构算法,力链中的粗颗粒数目在失稳过程中保持相对稳定,但细颗粒在力链结构中逐渐消失,平均力链长度和最大力链长度均在失稳过程中逐渐减小;力链结构链内链外的接触比例和接触法向各向异性在失稳过程中均发生较为明显的变化;单链结构接触法向各向异性和接触法向力各向异性的概率分布均呈现指数衰减规律,而单链接触切向力各向异性分布出现了后峰特征;力链在细颗粒中发生了明显的消失与重组现象,粗颗粒在整个失稳过程中对力链结构的贡献程度越来越高;在二元混合体系失稳过程中,塑性变形程度以及颗粒温度逐渐增加,细颗粒含量的变化以及不同的失稳阶段均对颗粒笼蔽效应以及记忆效应产生显著的影响。（6）在超二次曲面颗粒模拟条件下,分析了不同形状特征对应的颗粒集合体的堆积性态,和不同形状因子对二元混合颗粒体系平均接触水平的影响;通过径向函数验证了不规则形状在加载过程中形成的局部有序结构;基于含有各向异性张量交叉项的应力-组构-接触力关系,分析了不规则形状颗粒材料的各向异性对宏观强度的贡献程度,同时对不同细颗粒含量下的应力-组构-接触力关系进行了验证;分析了不同形状特征下各种各向异性参数的演化规律;针对二元混合体系中粗颗粒与细颗粒形状单独变化的情况,研究发现粗颗粒和细颗粒形状对宏观强度和细观塑性变形的影响规律均受到其含量的影响。
论文目录
文章来源
类型: 博士论文
作者: 伍巍
导师: 周伟,常晓林
关键词: 颗粒材料,二元颗粒混合体,细观结构,颗粒塑性,颗粒形状
来源: 武汉大学
年度: 2019
分类: 基础科学,工程科技Ⅱ辑
专业: 地质学,建筑科学与工程
单位: 武汉大学
基金: 国家重点研发计划课题(No.2017YFC0404801),国家自然科学基金项目(No.51579193,No.51509190),中国博士后科学基金(No.2016T907272)
分类号: TU43
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