颗粒材料物理力学特性的离散元研究

发布时间：2020-10-12 20:30

　　 颗粒材料广泛存在于自然界、工业以及工程实践,开展颗粒材料的物理力学特性的研究具有重要的理论与实践意义。颗粒材料的物理力学特性受诸多因素影响,比如,材料属性、颗粒形状、颗粒级配以及内外扰动等。近30多年来,以离散单元法(DEM)为代表的非连续介质数值方法被广泛运用到颗粒力学的研究。本文深入研究了离散元理论,发展了离散元模拟技术,开展了一系列离散元数值模拟,研究了颗粒材料的随机堆积(制备)和承担荷载(内外扰动)过程中的物理力学特性,重点讨论了颗粒形状和扰动的影响。本文主要研究内容和成果如下:(1)建立了多用途的多面体和超椭球颗粒离散元模型。研究了不规则颗粒间的碰撞检测算法,在球形颗粒离散元开源框架YADE的基础上,自主开发了非球颗粒离散元核心程序Sudo DEM;研究并开发了非球颗粒的随机堆积、直剪和三轴压缩离散元模拟程序,为研究颗粒形状对堆积结构和力学特性的影响提供基础。(2)研究了颗粒特性对随机堆积组构的影响。开展了一系列非球颗粒的随机堆积模拟,研究了摩擦系数、接触刚度、容器尺寸以及颗粒分辨率对正四面体颗粒堆积密度和配位数的影响,讨论了颗粒形状(长细比与偏心率)对四面体颗粒堆积体结构的影响;对超椭球颗粒的堆积结构进行了一系列系统的细观分析,讨论了颗粒的形状(长细比和块度)效应,进一步揭示了颗粒形状对随机堆积组构的影响;探讨了球簇、多面体以及超椭球离散元模型的优劣势,验证了建立的非球离散元模型在随机堆积模拟中的合理性,为进一步模拟非球颗粒材料的直剪和三轴剪切试验提供基础。(3)研究了非球颗粒材料在剪切作用下的宏细观力学表现。编制了超椭球颗粒的Hertz–Mindlin(HM)接触模型算法,对比分析了线性弹簧(LS)与HM模型对三轴剪切颗粒材料的宏细观力学表现的影响,发现LS模型可用于复杂形状颗粒的细观力学研究,有助于加速离散元模拟;提出了颗粒棱角度和非球度形状描述指标,分别构建了准球多面体模型和超级球模型来反映颗粒棱角度和非球度的变化,并开展了一系列直剪和三轴剪切试验模拟,分析了颗粒棱角度和非球度对提高宏观强度和刚度的细观机理;编制了超椭球颗粒的三维Set Voronoi剖分算法,对受剪颗粒材料内部结构进行了Voronoi分析,得到了平均局部胞元相关量与全局孔隙率和平均配位数的关系,并进一步分析了颗粒形状对胞元特征的影响,初步得到了颗粒与孔隙体系的相互联系。(4)研究了颗粒材料在热力循环(内部扰动)下的安定性。建立了热力循环离散元模型,研究了颗粒材料内部组构在热力循环下的变化,并分析了温度变化快慢、温度变化大小以及初始固结应力的影响;发现在长期的热力循环作用下,颗粒材料的力学安定性有着显著的累积效应(出现类似流变的显著应力松弛),并对相应的细观机理进行了初步揭示。
【学位单位】：华南理工大学
【学位级别】：博士
【学位年份】：2018
【中图分类】：TB301
【文章目录】：
摘要
Abstract
第一章 绪论
    1.1 研究背景与意义
    1.2 颗粒材料细观力学关键问题研究综述
        1.2.1 细观研究方法
        1.2.2 细观组构
        1.2.3 颗粒堆积
        1.2.4 力学脆弱性
        1.2.5 颗粒形状的影响
    1.3 离散单元法简介及研究概述
        1.3.1 颗粒运动
        1.3.2 边界条件
        1.3.3 接触模型
        1.3.4 计算循环
    1.4 研究内容与创新点
    1.5 论文组织
第二章 非球颗粒离散单元模型
    2.1 球簇离散单元模型
        2.1.1 球簇颗粒
        2.1.2 接触计算
        2.1.3 接触模型
    2.2 多面体离散单元模型
        2.2.1 多面体颗粒
        2.2.2 接触检测
        2.2.3 接触计算
        2.2.4 体刚度接触模型
    2.3 超椭球离散单元模型
        2.3.1 超椭球颗粒
        2.3.2 接触计算
        2.3.3 接触检测
        2.3.4 线刚度接触模型
    2.4 颗粒状态的数值求解
        2.4.1 位置
        2.4.2 方向
    2.5 本章小结
第三章 四面体颗粒随机堆积结构的研究
    3.1 模型设置
        3.1.1 DEM模型
        3.1.2 形状参数
        3.1.3 模拟设置
    3.2 正四面体颗粒随机堆积
        3.2.1 DEM模拟与物理实验对比
        3.2.2 球簇模型与多面体模型对比
        3.2.3 尺寸效应
        3.2.4 材料属性的影响
    3.3 不规则四面体颗粒形状效应
        3.3.1 长细比
        3.3.2 偏心率
        3.3.3 球度
    3.4 本章小结
第四章 超椭球颗粒随机堆积结构的研究
    4.1 模拟设定
        4.1.1 颗粒特性
        4.1.2 堆积策略
    4.2 结果与讨论
        4.2.1 堆积密度
        4.2.2 配位数
        4.2.3 颗粒方向分布
        4.2.4 组构各向异性
        4.2.5 接触力概率分布
    4.3 本章小结
第五章 接触模型对颗粒材料剪切表现的影响
    5.1 DEM接触模型
        5.1.1 Hertz-Mindlin模型
        5.1.2 完全椭圆积分的数值近似求解
        5.1.3 Hertz接触轴长比的数值近似解
    5.2 模拟设置
        5.2.1 颗粒模型
        5.2.2 试样制备
        5.2.3 真三轴试验
    5.3 宏观强度与变形
        5.3.1 宏观参量
        5.3.2 常规三轴剪切
        5.3.3 三轴伸长与常中主应力比压缩
    5.4 常规三轴剪切前后状态分析
        5.4.1 接触刚度分布
        5.4.2 局部孔隙比分布
        5.4.3 接触力概率分布
    5.5 常规三轴剪切细观参量演化
        5.5.1 平均法向接触力和平均配位数
        5.5.2 滑动接触与弱接触数量
        5.5.3 各向异性
    5.6 本章小结
第六章 棱角度对颗粒材料直接剪切行为的影响
    6.1 数值模拟
        6.1.1 颗粒形状
        6.1.2 试样生成
        6.1.3 直剪试验
    6.2 宏观行为
        6.2.1 侧限固结
        6.2.2 剪切强度与变形
    6.3 细观分析
        6.3.1 配位数
        6.3.2 力链
        6.3.3 各向异性
    6.4 本章小结
第七章 非球度对颗粒材料三轴剪切行为的影响
    7.1 数值模拟
        7.1.1 颗粒特性
        7.1.2 三轴压缩
    7.2 宏观行为
        7.2.1 剪切强度与变形
        7.2.2 特征状态
    7.3 细观分析
        7.3.1 接触力网络
        7.3.2 法向接触力
        7.3.3 接触分析
        7.3.4 各向异性
    7.4 本章小结
第八章 三轴剪切下颗粒材料的孔隙体系研究
    8.1 三维Voronoi方法
        8.1.1 Set Voronoi剖分
        8.1.2 Voronoi分辨率
    8.2 数值模拟
        8.2.1 三轴固结
        8.2.2 三轴剪切
    8.3 结果与讨论
        8.3.1 强度与变形
        8.3.2 局部孔隙率
        8.3.3 Voronoi胞元表面积
        8.3.4 Voronoi胞元球度
        8.3.5 配位数的局部来源
        8.3.6 Voronoi胞元方向
        8.3.7 非均匀性与各向异性
    8.4 本章小结
第九章 内部扰动下颗粒材料的细观组构研究
    9.1 模拟设置
        9.1.1 热力模型
        9.1.2 试样生成
        9.1.3 热力循环
    9.2 结果与讨论
        9.2.1 配位数
        9.2.2 统计熵
        9.2.3 接触法向各向异性
        9.2.4 应力松弛
    9.3 本章小结
总结与展望
    一、总结
    二、展望
参考文献
攻读博士学位期间取得的研究成果
致谢
附录

【参考文献】

相关期刊论文 前2条

1 ;A computational investigation on random packings of sphere-spherocylinder mixtures[J];Science China(Physics,Mechanics & Astronomy);2010年12期

2 ;Maximum packing densities of basic 3D objects[J];Chinese Science Bulletin;2010年02期

本文编号：2838239