准脆性颗粒材料的受压渐进破碎机制研究

发布时间：2017-08-10 21:31

  本文关键词：准脆性颗粒材料的受压渐进破碎机制研究

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【摘要】：颗粒材料由于具有优良的工程特性而在土木、化工等行业受到广泛使用。但在高应力水平下颗粒材料可能发生颗粒破碎现象,从而影响颗粒堆积料层的宏观物理力学属性,进而影响堆积料层的内力变形和整体稳定安全。因此研究颗粒破碎现象具有十分重要的工程意义。本文基于试验和数值模拟的手段,分别采用陶质颗粒和氧化铝颗粒两种材料,对球形颗粒料层受压破碎的基本模式和内在机理进行了相关研究。论文主要工作如下:(1)开展了系列单颗粒准静态压缩破碎试验研究。结果表明单个颗粒在平板压缩作用下破坏模式为张拉型,球形颗粒产生两条近似正交的贯穿性裂缝。基于平板压缩位移与反力载荷曲线,发展相关理论计算得颗粒材料的抗拉强度、弹性模量和断裂能等基本参数。(2)分别采用陶质颗粒和氧化铝颗粒两种材料,设计并完成了系列颗粒料层的侧限压缩破碎试验研究。自主研发试验设备,实现对颗粒破碎过程的实时观测。考虑试样颗粒材料、粒径大小以及级配组分的变化,辨识颗粒料层在单调递增压载下的渐进破碎模式并提出破碎力学模型。通过试验获得的试验曲线,提出了颗粒料层破碎的三个典型阶段。(3)开展了扫描电镜显微观测试验研究,对典型破碎颗粒的原生表面,破裂面和破碎过程区进行了微观形貌观测,对不同作用引起的破裂面形貌进行了分析比较,表明张拉断裂是颗粒破碎的主导破碎型式;基于颗粒筛分试验,发展Hardin提出的相对破碎势概念,采用单位能量下的相对破碎势对各次试验的颗粒破碎程度进行了分析和评价。(4)基于非线性损伤断裂力学模型分别对单颗粒平板压缩和颗粒料层受侧限压缩的渐进破碎行为开展数值模拟研究。数值模拟得到的颗粒破碎模式与试验结果符合较好,并讨论了张拉型断裂能参数对颗粒变形破碎模式和宏观响应规律的影响,进一步揭示了影响颗粒破碎的因素和规律。
【关键词】：颗粒料层 破碎机理 微观形貌 数值模拟
【学位授予单位】：清华大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2015
【分类号】：TV41
【目录】：

• 摘要3-4
• Abstract4-8
• 第1章 绪论8-20
• 1.1 研究背景8-9
• 1.2 研究现状9-17
• 1.2.1 单一颗粒破碎研究9-11
• 1.2.2 多颗粒破碎研究11-14
• 1.2.3 颗粒破碎数值模拟研究14-17
• 1.3 研究内容和方法17-18
• 1.3.1 研究内容17-18
• 1.3.2 实施方案18
• 1.4 主要创新点18-20
• 第2章 单颗粒压缩破碎试验研究20-38
• 2.1 单颗粒压缩破碎试验20-23
• 2.1.1 试样材料介绍20-21
• 2.1.2 试验设备简介21-22
• 2.1.3 试验流程22-23
• 2.2 单颗粒破碎试验结果分析23-27
• 2.2.1 陶质颗粒载荷-位移曲线23-25
• 2.2.2 氧化铝颗粒载荷-位移曲线25-27
• 2.3 单颗粒压缩破碎模式分析27-35
• 2.3.1 扫描电镜试验介绍28-29
• 2.3.2 破碎形貌的微观尺度分析29-35
• 2.4 颗粒基本力学参数标定35-37
• 2.4.1 颗粒弹模标定35-36
• 2.4.2 颗粒抗拉强度标定36-37
• 2.5 本章小结37-38
• 第3章 颗粒料层的压缩破碎试验研究38-92
• 3.1 颗粒料层的压缩破碎试验介绍38-42
• 3.1.1 侧限压缩试验的设计38-40
• 3.1.2 试样制备40-41
• 3.1.3 试验步骤41-42
• 3.2 颗粒料层破碎试验的荷载-位移曲线分析42-50
• 3.2.1 系统位移误差修正42-43
• 3.2.2 单一粒径料层试验结果43-45
• 3.2.3 混合粒径料层试样破碎模式45-47
• 3.2.4 单一粒径试样和混合粒径试样对比47-48
• 3.2.5 陶质颗粒和氧化铝颗粒比较48-50
• 3.3 颗粒料层压缩破碎模式分析50-77
• 3.3.1 单一粒径料层试样破碎模式50-57
• 3.3.2 混合粒径料层试样破碎模式57-62
• 3.3.3 多颗粒微观尺度破碎模式分析62-77
• 3.4 粒径分析77-90
• 3.4.1 颗粒破碎的度量77-79
• 3.4.2 陶质颗粒筛分曲线分析79-83
• 3.4.3 氧化铝颗粒筛分曲线分析83-90
• 3.5 本章小结90-92
• 第4章 颗粒受压破碎机理的数值模拟研究92-104
• 4.1 颗粒压载破碎试验的数值模型92-96
• 4.1.1 颗粒模型和参数选取92-94
• 4.1.2 颗粒料层压缩破碎模型的实现94-95
• 4.1.3 颗粒料层侧限受压数值模型95-96
• 4.2 颗粒压缩破碎试验的数值模拟96-102
• 4.2.1 单颗粒压缩破碎工况96-98
• 4.2.2 单一粒径组颗粒料层压缩破碎工况98-101
• 4.2.3 混和粒径组颗粒料层压缩破碎工况101-102
• 4.3 本章小结102-104
• 第5章 总结与展望104-107
• 5.1 研究成果总结104-105
• 5.2 研究展望105-107
• 参考文献107-110
• 致谢110-112
• 个人简历、在学期间发表的学术论文与研究成果112

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