【摘要】：顆粒物質(zhì)界面的非穩(wěn)態(tài)性,是微觀尺度下的重要研究方向,它往往直接影響宏觀力學(xué)響應(yīng),宏觀摩擦系數(shù)的非線性變化。在土力學(xué)和摩擦學(xué)領(lǐng)域有著重要的研究價(jià)值和意義。本課題的研究背景是基于受限空間下的顆粒非穩(wěn)態(tài)行為特征,由于微觀顆粒運(yùn)動(dòng)的復(fù)雜性很難用實(shí)驗(yàn)進(jìn)行觀測(cè),所以采用有限元技術(shù)對(duì)界面顆粒力學(xué)行為展開深入性研究,并對(duì)顆粒在受限空間內(nèi)的力鏈形態(tài)變化與顆粒微觀運(yùn)動(dòng)方式做初步的探索。首先,本文建立了界面受限空間內(nèi)顆粒體的二維有限元模型,模擬顆粒在不同受壓載荷下,不同接觸摩擦系數(shù)以及下表面不同速度下的運(yùn)動(dòng)過程。結(jié)果表明:顆粒與下表面接觸摩擦力的最大值隨著載荷的增加是逐漸增加的,并且摩擦力一直處于波動(dòng)的狀態(tài),是非穩(wěn)態(tài)的一種表現(xiàn)形式。摩擦力與速度并不是成正比關(guān)系,而是存在類似“兩極分化”的規(guī)律,即高速和低速下,摩擦力都相對(duì)較大,而中等速度下,摩擦力較小。其次,為了更清晰的反映顆粒的非穩(wěn)態(tài)特性,本文還分析了速度,載荷,摩擦系數(shù)對(duì)顆粒以及上下表面的速度位移波動(dòng)影響。在剪切階段,顆粒位移開始不斷增加,隨著載荷的增大,顆粒之間的位移差越來越大。顆粒的運(yùn)動(dòng)是無規(guī)律逐漸加劇。不同載荷下,彈性顆粒的速度波動(dòng)都呈現(xiàn)出兩端波動(dòng)較為劇烈,中間波動(dòng)微弱。此外,摩擦系數(shù)對(duì)上表面在x軸方向的位移波動(dòng)成“W”型趨勢(shì),但摩擦系數(shù)的改變對(duì)位移的波動(dòng)變化影響較小。隨著速度的增大,下表面位移波動(dòng)加劇,頻率增高。速度對(duì)顆粒位移的影響也呈現(xiàn)“兩極分化”。模型的摩擦耗散能和動(dòng)能基本上與受壓載荷和滑移速度成正比關(guān)系。能量的耗散主要是由于力鏈的能量變化,顆粒的滑動(dòng)和轉(zhuǎn)動(dòng)導(dǎo)致了周圍顆粒發(fā)生滑移或轉(zhuǎn)動(dòng),從而使得強(qiáng)力鏈減弱或者斷裂。而動(dòng)能的增加基本對(duì)應(yīng)著彈性勢(shì)能的釋放,動(dòng)能變化激烈時(shí),剪切帶開始出現(xiàn)。載荷較小以及速度較小和較大時(shí)都會(huì)對(duì)顆粒的非穩(wěn)態(tài)性造成不利的影響,而較大載荷和速度較大但不達(dá)到一定程度時(shí)都可以使得受限空間內(nèi)的顆粒較好的隔絕表面之間的微凸體接觸,達(dá)到潤滑的效果,顆粒的非穩(wěn)態(tài)性也較弱。在實(shí)際工程應(yīng)用中,適當(dāng)?shù)恼{(diào)節(jié)受壓表面的承載以及界面之間的相對(duì)滑動(dòng)速度可以達(dá)到最佳穩(wěn)態(tài)性。最后對(duì)顆粒的力鏈形態(tài)演變與顆粒微觀運(yùn)動(dòng)方式進(jìn)行了初步探究�！癠型”力鏈和環(huán)狀力鏈類似,都是極不穩(wěn)定的。而被較多的弱力鏈包圍的強(qiáng)力鏈處于相對(duì)穩(wěn)定的結(jié)構(gòu)當(dāng)中。同時(shí),顆粒在剪切帶中的旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)方式也符合顆粒的接觸運(yùn)動(dòng)模型。
【圖文】：

力鏈 (b) DEM 數(shù)值模圖 1.1 顆粒物質(zhì)體系中的力鏈網(wǎng)絡(luò)Fig 1.1 Force chain in granular media system家 Gennes 和 Kadanoff 對(duì)顆粒物質(zhì)的認(rèn)識(shí)作這一范疇內(nèi)，到如今的認(rèn)知程度只能與于 Kadanoff卻認(rèn)為顆粒物質(zhì)不能用簡單的流體行為到目前為止都沒有得到很清晰很明確的單一的固體體系，也不是純粹的流體體系，者通過研究積累，開始明確把顆粒體系劃分 所示。單個(gè)顆粒是微觀尺度上組成顆粒體系本單元組成的相對(duì)穩(wěn)定的結(jié)構(gòu)；而整個(gè)顆粒物質(zhì)多尺度方法的難點(diǎn)和重點(diǎn)就是顆粒-力

圖 1.3 三體摩擦界面區(qū)域分布示意圖Fig 1.3Area distribution of three-body friction interface是因?yàn)闀?huì)加劇界面摩擦副的磨損而提出來的，但是隨著人，摩擦副中的第三體不單單會(huì)起到不利的作用，在某些情況可以穩(wěn)定或降低摩擦副的宏觀摩擦系數(shù)，附著在第一體上體之間的磨損具有很好的效果，這對(duì)工程應(yīng)用產(chǎn)生著重大開始有目的的人為在摩擦副間隙導(dǎo)入適量的粉末顆粒從而說，通過顆粒與顆粒之間的作用力是否僅限于斥力，，可以把干顆粒(dry granular)和濕顆粒(wet granular)。作為干顆粒物存在粘性力的作用[29]。通常在摩擦學(xué)領(lǐng)域，我們所研究的可以看作為干顆粒。顆粒體相關(guān)的實(shí)驗(yàn)研究
【學(xué)位授予單位】：合肥工業(yè)大學(xué)
【學(xué)位級(jí)別】：碩士
【學(xué)位授予年份】：2018
【分類號(hào)】：O347.7

【參考文獻(xiàn)】

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本文編號(hào)：2625629