顆粒材料廣泛存在于自然界、工業(yè)以及工程實(shí)踐,開展顆粒材料的物理力學(xué)特性的研究具有重要的理論與實(shí)踐意義。顆粒材料的物理力學(xué)特性受諸多因素影響,比如,材料屬性、顆粒形狀、顆粒級(jí)配以及內(nèi)外擾動(dòng)等。近30多年來,以離散單元法(DEM)為代表的非連續(xù)介質(zhì)數(shù)值方法被廣泛運(yùn)用到顆粒力學(xué)的研究。本文深入研究了離散元理論,發(fā)展了離散元模擬技術(shù),開展了一系列離散元數(shù)值模擬,研究了顆粒材料的隨機(jī)堆積(制備)和承擔(dān)荷載(內(nèi)外擾動(dòng))過程中的物理力學(xué)特性,重點(diǎn)討論了顆粒形狀和擾動(dòng)的影響。本文主要研究內(nèi)容和成果如下:(1)建立了多用途的多面體和超橢球顆粒離散元模型。研究了不規(guī)則顆粒間的碰撞檢測算法,在球形顆粒離散元開源框架YADE的基礎(chǔ)上,自主開發(fā)了非球顆粒離散元核心程序Sudo DEM;研究并開發(fā)了非球顆粒的隨機(jī)堆積、直剪和三軸壓縮離散元模擬程序,為研究顆粒形狀對(duì)堆積結(jié)構(gòu)和力學(xué)特性的影響提供基礎(chǔ)。(2)研究了顆粒特性對(duì)隨機(jī)堆積組構(gòu)的影響。開展了一系列非球顆粒的隨機(jī)堆積模擬,研究了摩擦系數(shù)、接觸剛度、容器尺寸以及顆粒分辨率對(duì)正四面體顆粒堆積密度和配位數(shù)的影響,討論了顆粒形狀(長細(xì)比與偏心率)對(duì)四面體顆粒堆積體結(jié)構(gòu)的影響;對(duì)超橢球顆粒的堆積結(jié)構(gòu)進(jìn)行了一系列系統(tǒng)的細(xì)觀分析,討論了顆粒的形狀(長細(xì)比和塊度)效應(yīng),進(jìn)一步揭示了顆粒形狀對(duì)隨機(jī)堆積組構(gòu)的影響;探討了球簇、多面體以及超橢球離散元模型的優(yōu)劣勢,驗(yàn)證了建立的非球離散元模型在隨機(jī)堆積模擬中的合理性,為進(jìn)一步模擬非球顆粒材料的直剪和三軸剪切試驗(yàn)提供基礎(chǔ)。(3)研究了非球顆粒材料在剪切作用下的宏細(xì)觀力學(xué)表現(xiàn)。編制了超橢球顆粒的Hertz–Mindlin(HM)接觸模型算法,對(duì)比分析了線性彈簧(LS)與HM模型對(duì)三軸剪切顆粒材料的宏細(xì)觀力學(xué)表現(xiàn)的影響,發(fā)現(xiàn)LS模型可用于復(fù)雜形狀顆粒的細(xì)觀力學(xué)研究,有助于加速離散元模擬;提出了顆粒棱角度和非球度形狀描述指標(biāo),分別構(gòu)建了準(zhǔn)球多面體模型和超級(jí)球模型來反映顆粒棱角度和非球度的變化,并開展了一系列直剪和三軸剪切試驗(yàn)?zāi)M,分析了顆粒棱角度和非球度對(duì)提高宏觀強(qiáng)度和剛度的細(xì)觀機(jī)理;編制了超橢球顆粒的三維Set Voronoi剖分算法,對(duì)受剪顆粒材料內(nèi)部結(jié)構(gòu)進(jìn)行了Voronoi分析,得到了平均局部胞元相關(guān)量與全局孔隙率和平均配位數(shù)的關(guān)系,并進(jìn)一步分析了顆粒形狀對(duì)胞元特征的影響,初步得到了顆粒與孔隙體系的相互聯(lián)系。(4)研究了顆粒材料在熱力循環(huán)(內(nèi)部擾動(dòng))下的安定性。建立了熱力循環(huán)離散元模型,研究了顆粒材料內(nèi)部組構(gòu)在熱力循環(huán)下的變化,并分析了溫度變化快慢、溫度變化大小以及初始固結(jié)應(yīng)力的影響;發(fā)現(xiàn)在長期的熱力循環(huán)作用下,顆粒材料的力學(xué)安定性有著顯著的累積效應(yīng)(出現(xiàn)類似流變的顯著應(yīng)力松弛),并對(duì)相應(yīng)的細(xì)觀機(jī)理進(jìn)行了初步揭示。
【學(xué)位單位】：華南理工大學(xué)
【學(xué)位級(jí)別】：博士
【學(xué)位年份】：2018
【中圖分類】：TB301
【文章目錄】：
摘要
Abstract
第一章 緒論
    1.1 研究背景與意義
    1.2 顆粒材料細(xì)觀力學(xué)關(guān)鍵問題研究綜述
        1.2.1 細(xì)觀研究方法
        1.2.2 細(xì)觀組構(gòu)
        1.2.3 顆粒堆積
        1.2.4 力學(xué)脆弱性
        1.2.5 顆粒形狀的影響
    1.3 離散單元法簡介及研究概述
        1.3.1 顆粒運(yùn)動(dòng)
        1.3.2 邊界條件
        1.3.3 接觸模型
        1.3.4 計(jì)算循環(huán)
    1.4 研究內(nèi)容與創(chuàng)新點(diǎn)
    1.5 論文組織
第二章 非球顆粒離散單元模型
    2.1 球簇離散單元模型
        2.1.1 球簇顆粒
        2.1.2 接觸計(jì)算
        2.1.3 接觸模型
    2.2 多面體離散單元模型
        2.2.1 多面體顆粒
        2.2.2 接觸檢測
        2.2.3 接觸計(jì)算
        2.2.4 體剛度接觸模型
    2.3 超橢球離散單元模型
        2.3.1 超橢球顆粒
        2.3.2 接觸計(jì)算
        2.3.3 接觸檢測
        2.3.4 線剛度接觸模型
    2.4 顆粒狀態(tài)的數(shù)值求解
        2.4.1 位置
        2.4.2 方向
    2.5 本章小結(jié)
第三章 四面體顆粒隨機(jī)堆積結(jié)構(gòu)的研究
    3.1 模型設(shè)置
        3.1.1 DEM模型
        3.1.2 形狀參數(shù)
        3.1.3 模擬設(shè)置
    3.2 正四面體顆粒隨機(jī)堆積
        3.2.1 DEM模擬與物理實(shí)驗(yàn)對(duì)比
        3.2.2 球簇模型與多面體模型對(duì)比
        3.2.3 尺寸效應(yīng)
        3.2.4 材料屬性的影響
    3.3 不規(guī)則四面體顆粒形狀效應(yīng)
        3.3.1 長細(xì)比
        3.3.2 偏心率
        3.3.3 球度
    3.4 本章小結(jié)
第四章 超橢球顆粒隨機(jī)堆積結(jié)構(gòu)的研究
    4.1 模擬設(shè)定
        4.1.1 顆粒特性
        4.1.2 堆積策略
    4.2 結(jié)果與討論
        4.2.1 堆積密度
        4.2.2 配位數(shù)
        4.2.3 顆粒方向分布
        4.2.4 組構(gòu)各向異性
        4.2.5 接觸力概率分布
    4.3 本章小結(jié)
第五章 接觸模型對(duì)顆粒材料剪切表現(xiàn)的影響
    5.1 DEM接觸模型
        5.1.1 Hertz-Mindlin模型
        5.1.2 完全橢圓積分的數(shù)值近似求解
        5.1.3 Hertz接觸軸長比的數(shù)值近似解
    5.2 模擬設(shè)置
        5.2.1 顆粒模型
        5.2.2 試樣制備
        5.2.3 真三軸試驗(yàn)
    5.3 宏觀強(qiáng)度與變形
        5.3.1 宏觀參量
        5.3.2 常規(guī)三軸剪切
        5.3.3 三軸伸長與常中主應(yīng)力比壓縮
    5.4 常規(guī)三軸剪切前后狀態(tài)分析
        5.4.1 接觸剛度分布
        5.4.2 局部孔隙比分布
        5.4.3 接觸力概率分布
    5.5 常規(guī)三軸剪切細(xì)觀參量演化
        5.5.1 平均法向接觸力和平均配位數(shù)
        5.5.2 滑動(dòng)接觸與弱接觸數(shù)量
        5.5.3 各向異性
    5.6 本章小結(jié)
第六章 棱角度對(duì)顆粒材料直接剪切行為的影響
    6.1 數(shù)值模擬
        6.1.1 顆粒形狀
        6.1.2 試樣生成
        6.1.3 直剪試驗(yàn)
    6.2 宏觀行為
        6.2.1 側(cè)限固結(jié)
        6.2.2 剪切強(qiáng)度與變形
    6.3 細(xì)觀分析
        6.3.1 配位數(shù)
        6.3.2 力鏈
        6.3.3 各向異性
    6.4 本章小結(jié)
第七章 非球度對(duì)顆粒材料三軸剪切行為的影響
    7.1 數(shù)值模擬
        7.1.1 顆粒特性
        7.1.2 三軸壓縮
    7.2 宏觀行為
        7.2.1 剪切強(qiáng)度與變形
        7.2.2 特征狀態(tài)
    7.3 細(xì)觀分析
        7.3.1 接觸力網(wǎng)絡(luò)
        7.3.2 法向接觸力
        7.3.3 接觸分析
        7.3.4 各向異性
    7.4 本章小結(jié)
第八章 三軸剪切下顆粒材料的孔隙體系研究
    8.1 三維Voronoi方法
        8.1.1 Set Voronoi剖分
        8.1.2 Voronoi分辨率
    8.2 數(shù)值模擬
        8.2.1 三軸固結(jié)
        8.2.2 三軸剪切
    8.3 結(jié)果與討論
        8.3.1 強(qiáng)度與變形
        8.3.2 局部孔隙率
        8.3.3 Voronoi胞元表面積
        8.3.4 Voronoi胞元球度
        8.3.5 配位數(shù)的局部來源
        8.3.6 Voronoi胞元方向
        8.3.7 非均勻性與各向異性
    8.4 本章小結(jié)
第九章 內(nèi)部擾動(dòng)下顆粒材料的細(xì)觀組構(gòu)研究
    9.1 模擬設(shè)置
        9.1.1 熱力模型
        9.1.2 試樣生成
        9.1.3 熱力循環(huán)
    9.2 結(jié)果與討論
        9.2.1 配位數(shù)
        9.2.2 統(tǒng)計(jì)熵
        9.2.3 接觸法向各向異性
        9.2.4 應(yīng)力松弛
    9.3 本章小結(jié)
總結(jié)與展望
    一、總結(jié)
    二、展望
參考文獻(xiàn)
攻讀博士學(xué)位期間取得的研究成果
致謝
附錄

【參考文獻(xiàn)】

相關(guān)期刊論文 前2條

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

本文編號(hào)：2838239