颗粒固体的力学响应和声波传播的研究

发布时间：2017-12-21 20:07

  本文关键词：颗粒固体的力学响应和声波传播的研究　出处：《中国科学院大学(中国科学院物理研究所)》2017年博士论文　论文类型：学位论文

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【摘要】：颗粒物质兼有离散、宏观、多体的特点,是在地球上存在的最广泛的物质聚集状态之一。它的离散特点使它和通常的物质形态有很大的不同,表现出非常多的奇特现象,既能表现出像通常的气态、液态、固态的性质,但又有很大的差别,这激起了人们对它的研究兴趣。最近关于颗粒固体的研究,尤其是对其发生Jamming转变的研究有许多新的进展。颗粒物质处于jammed状态时能抵抗一定的外界剪切力,而当发生jammed状态向unjammed状态转变时,颗粒物质表现出流动的特性;颗粒固体这些特性的研究对于深入理解工业生产中颗粒体系的突发事件(如堆积物料的崩塌),以及地质灾害有很重要的现实意义。这篇论文的工作主要包括以下两个方面:1)颗粒固体体系在三轴压缩条件下的力学响应的研究。2)颗粒固体体系中的声波传播的影响因素的实验探讨,以及声速-压力指数关系转变的研究。首先对于三轴压缩条件下颗粒固体的力学响应,之前已有许多的工作讨论了。在我们的实验工作中,采用不同的颗粒材料(颗粒的粒径大小、分布),不同的样品制备历史,不同的加载控制方案,讨论颗粒固体样品的应力-应变响应,以及滞滑、蠕变等现象。由于颗粒固体是由大量离散的颗粒构成的,颗粒的性质如粗糙度、级配等对颗粒固体宏观的性质如应力-应变曲线上的屈服点是有显著影响的;我们也观察到了颗粒固体样品的围压,以及剪切速率,甚至连样品的制备历史也是会影响应力-应变曲线。在实验中我们发现应力-应变的临界区具有类似于通常固-液转变临界的特点,并且不受样品制备历史的影响;当加载力稍小于屈服强度,颗粒样品不断蠕变,应变越来越慢并趋于稳定;而当加载力大于屈服强度时,颗粒固体样品形变是加速的,就像不能承重的液体一样。这里驱动颗粒固体‘液化(或者说Jamming transition)’的手段是三轴压缩;我们认为在颗粒固体体系受压发生‘液化’的区域是局域化的,对三维颗粒固体目前还没有好的方法去动态的观察和研究。剪切转变区理论(Shear Transformation Zone,STZ)能被应用来讨论颗粒固体的这种不均匀‘液化’的理论,我们尝试利用此方法对实验结果进行讨论,但由于我们的体系是三维的,没办法观察到颗粒体系内部的情况,所以只是在粗糙假设的前提下采用STZ理论对实验中的现象做了说明。其次,我们将声波作为探测颗粒固体内部结构的一种手段,小振幅的声波不对体系内部结构产生实质性的影响。我们通过实验讨论了颗粒样品的厚度、应变、边界条件对其的影响。发现样品厚度对声速随压力的指数关系是有影响的,样品越厚,声速-压力指数越大,剪切波中的这种现象比压缩波更明显。在探讨颗粒固体样品的应变对声速的影响时,我们发现声速随应变的增大会增加并渐渐趋于稳定,所以若在样品应变前测量声速必定是偏小的,这启示我们样品的密实度对声速-压力指数在较小压力区偏离等效介质理论(Effective Media Theory,EMT)也许有贡献,也启示我们在测量颗粒样品的声速前,适当的预压样品是很有必要的。对于不同边界条件下的颗粒固体样品,边界的软硬度以及对样品围向的力是不同的,这会影响剪切波相干波部分的波形,但在首次加载条件下声速-压力的指数表现却是相同,不受边界条件的影响。最后,由于剪切波速常被用来作为颗粒体系形成稳定剪切带的标志,并且至今对声速-压力的指数关系偏离EMT的预测的原因,还是争论的焦点,我们专门讨论了颗粒固体样品中的声速。对样品循环加载、边界条件的影响做了实验探测,发现在单轴边界条件下,随着循环加载的进行,声速-压力指数的转变越来越明显,这在各向同性边界中并未出现。在理论上,我们考虑进样品密度、配位数、以及加载过程中力的转向比等因素对EMT进行修正,并对实验结果进行分析,发现实验结果和理论预测之间的偏差还是没有消除。颗粒固体中声波传播的复杂性,源于颗粒固体内部接触网络的敏感性和复杂性,以及力链结构的各向异性。在加载力的作用下,一条强力链的断裂的同时,可能导致很多新的弱力链的形成,从而接触网络上多个节点被激活而传播声波,这是一种非线性的变化,EMT等理论的描述还是显得很不足。
【学位授予单位】：中国科学院大学(中国科学院物理研究所)
【学位级别】：博士
【学位授予年份】：2017
【分类号】：O482

【参考文献】

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2 张昱;韦艳芳;彭政;蒋亦民;段文山;厚美瑛;;倾斜沙漏流与颗粒休止角研究[J];物理学报;2016年08期

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本文编号：1316999