本文關(guān)鍵詞：基于介觀結(jié)構(gòu)及介—宏觀均勻化方法的顆粒材料力學(xué)行為研究

  更多相關(guān)文章： 顆粒材料 離散顆粒集合體 介觀結(jié)構(gòu) 介-宏觀均勻化方法 本構(gòu)關(guān)系 各向異性損傷 愈合 耗散能演變 液橋 有效應(yīng)力

【摘要】：由大量不同形狀、尺寸的離散固體顆粒及孔隙組成的顆粒材料廣泛存在于自然界中,如土體、土石混合體、地質(zhì)體等。顆粒材料的離散特征使其力學(xué)行為本質(zhì)上依賴于其介觀結(jié)構(gòu),同時(shí)表現(xiàn)出高度非線性及耗散性。當(dāng)前,研究者及工程師主要采用連續(xù)體模型、離散顆粒模型或兩者結(jié)合的多尺度模型模擬顆粒材料復(fù)雜的力學(xué)行為。盡管基于離散顆粒模型的離散元法已被普遍認(rèn)為是研究顆粒材料力學(xué)行為的有效方法之一,但如果僅將關(guān)注點(diǎn)局限于細(xì)觀尺度上兩個(gè)典型顆粒的接觸本構(gòu)關(guān)系或僅在宏觀尺度上利用離散元法分析大量離散顆粒構(gòu)成的顆粒材料結(jié)構(gòu)的整體力學(xué)行為,則不能有效的揭示顆粒材料連續(xù)體模型下宏觀破壞現(xiàn)象的介觀機(jī)理。因此,需要建立描述顆粒材料介觀結(jié)構(gòu)的力學(xué)模型。損傷因子、等價(jià)塑性應(yīng)變等描述顆粒材料連續(xù)體模型中材料損傷、(?)性力學(xué)行為的內(nèi)狀態(tài)變量,是工程師度量顆粒材料結(jié)構(gòu)中材料破壞程度的重要指標(biāo)。但在(?)觀連續(xù)體模型中,其值依賴于唯象假定的損傷、塑性判定準(zhǔn)則及演化率,同時(shí)不能反映材料損傷、塑性破壞過程中介觀結(jié)構(gòu)的演變。盡管離散元分析可以追蹤顆粒間接觸脫離、力鏈斷裂、塑性滑移等介觀結(jié)構(gòu)演化信息,但不能給出損傷因子、等價(jià)塑性應(yīng)變等工程師熟悉的連續(xù)體內(nèi)狀態(tài)變量。因此,需要建立基于顆粒材料離散介觀結(jié)構(gòu)及其演變的宏觀等價(jià)連續(xù)體力學(xué)模型,研究和揭示其連續(xù)體模型下宏觀破壞現(xiàn)象的介觀機(jī)理。綜上所述,針對干顆粒材料,本學(xué)位論文第一部分提出了描述顆粒材料介觀結(jié)構(gòu)的Voronoi胞元模型;基于介觀結(jié)構(gòu)及其演變,建立了顆粒材料等價(jià)Cosserat連續(xù)體各向異性本構(gòu)關(guān)系,并以此為基礎(chǔ)提出了顆粒材料等價(jià)Cosserat連續(xù)體損傷-愈合-塑性力學(xué)行為的表征方法。所提出的Voronoi胞元模型不僅包含Voronoi單胞內(nèi)的參考顆粒,而且包括Voronoi單胞邊界外參考顆粒的直接相鄰顆粒。與經(jīng)典Cosserat連續(xù)體各向同性本構(gòu)關(guān)系中Cauchy應(yīng)力僅與應(yīng)變有關(guān)、偶應(yīng)力僅與微曲率有關(guān)不同,所提出的等價(jià)Cosserat連續(xù)體各向異性本構(gòu)關(guān)系中Cauchy應(yīng)力、偶應(yīng)力分別同時(shí)與應(yīng)變及微曲率有關(guān),可以定量地反映材料本身具有的或變形引起介觀結(jié)構(gòu)演化導(dǎo)致的各向異性特征。針對均勻化理論框架下各向同性介觀結(jié)構(gòu)對應(yīng)的各向同性等價(jià)Cosserat連續(xù)體,所提出的顆粒材料等價(jià)Cosserat連續(xù)體各向異性本構(gòu)關(guān)系將退化為經(jīng)典的各向同性Cosserat連續(xù)體本構(gòu)關(guān)系,驗(yàn)證了其退化情況的合理性,同時(shí)得到了經(jīng)典各向同性Cosserat連續(xù)體本構(gòu)模量參數(shù)(如特征長度、彈性模量等)的介觀表達(dá)式。無需唯象假定材料的損傷、愈合、塑性判定準(zhǔn)則及演化率,提出了顆粒材料等價(jià)Cosserat連續(xù)體損傷-愈合-塑性表征方法,揭示了顆粒材料損傷、愈合、塑性宏觀現(xiàn)象的介觀機(jī)理。引入非正交主損傷坐標(biāo)系,導(dǎo)出了顆粒材料等價(jià)Cosserat連續(xù)體各向異性損傷-愈合因子張量的主損傷因子及主損傷方向。建立了等溫條件下描述顆粒材料損傷-愈合及塑性過程的熱力學(xué)框架,定義了表征顆粒材料塑性耗散的有效塑性應(yīng)變內(nèi)變量。根據(jù)描述材料損傷-愈合過程的凈損傷耗散能密度增量的非負(fù)性提出了材料損傷、愈合判定準(zhǔn)則,并由此定義了描述顆粒材料各向異性損傷、愈合力學(xué)行為的損傷、愈合內(nèi)變量及表征損傷-愈合耦合效應(yīng)的凈損傷變量。數(shù)值結(jié)果表明提出的塑性、損傷耗散能密度及愈合能密度為定量表征及比較塑性、損傷、愈合過程對材料破壞的影響提供了途徑;驗(yàn)證了提出的凈損傷、損傷、愈合內(nèi)變量定義的有效性及愈合內(nèi)變量在模擬對材料初始缺陷(未損傷)的愈合力學(xué)行為時(shí)的有效性;同時(shí)表明提出的表征方法可以捕捉顆粒材料結(jié)構(gòu)以軟化和應(yīng)變局部化為特征的破壞過程中萌發(fā)破壞的局部材料點(diǎn)位置及應(yīng)變局部化區(qū)域(剪切帶)的發(fā)展方向。近年來,滑坡、泥石流等自然災(zāi)害頻發(fā)。要探索干化到濕化發(fā)展過程導(dǎo)致的顆粒材料結(jié)構(gòu)宏觀破壞現(xiàn)象的成因,需要研究與其相關(guān)聯(lián)的水力-力學(xué)耦合作用的介觀機(jī)理。同時(shí),控制非飽和多孔介質(zhì)固體骨架力學(xué)行為的有效應(yīng)力是研究者及工程師關(guān)注的熱點(diǎn)問題,但對于基于宏觀唯象模型提出的非飽和多孔介質(zhì)有效應(yīng)力定義,目前仍有爭議。因此,針對孔隙液體以雙聯(lián)模式液橋存在的低飽和度非飽和顆粒材料,本學(xué)位論文第二部分發(fā)展了雙聯(lián)模式液橋計(jì)算模型與計(jì)及顆粒間液橋效應(yīng)的非飽和離散元模型,導(dǎo)出了低飽和度非飽和顆粒材料等價(jià)非飽和Cosserat連續(xù)體有效應(yīng)力、有效壓力張量的介觀表征。在含液離散元法框架下以顆粒間距及液橋液體體積為已知量,提出了確定二維雙聯(lián)模式液橋幾何構(gòu)形與液橋力的算法。討論了液橋臨界斷裂距離與顆粒半徑的關(guān)系,導(dǎo)出了以顆粒半徑、三相接觸角、液橋液體體積表示的液橋臨界斷裂距離擬合公式。分析了兩直接相鄰接觸或非接觸顆粒間毛細(xì)液橋力隨液橋液體體積及顆粒間距的變化關(guān)系。利用所發(fā)展的非飽和離散元模型模擬非飽和顆粒材料的吸力效應(yīng),數(shù)值算例驗(yàn)證了其有效捕捉非飽和離散顆粒集合體以應(yīng)變局部化為特征的破壞模式的能力。建立了描述低飽和度非飽和顆粒材料由固體顆粒及非混孔隙液體、孔隙氣體三相構(gòu)成的、具有離散和介觀結(jié)構(gòu)各向異性特征的非飽和Voronoi胞元模型。導(dǎo)出了以介觀結(jié)構(gòu)及介觀水力-力學(xué)信息表示的非飽和顆粒材料等價(jià)非飽和Cosserat連續(xù)體的有效應(yīng)力、有效壓力張量,而無需引進(jìn)唯象假定的非飽和多孔介質(zhì)水力-力學(xué)本構(gòu)模型。對于均勻化理論框架下各向同性非飽和介觀結(jié)構(gòu)對應(yīng)的各向同性等價(jià)非飽和Cosserat連續(xù)體,導(dǎo)出了與宏觀非飽和多孔連續(xù)體理論唯象假定相同形式的、標(biāo)量形式的有效壓力,同時(shí)得到了非唯象假定的、以孔隙液體飽和度、孔隙度、介觀結(jié)構(gòu)參數(shù)表示的Bishop參數(shù)。最后,為了論文的完整性和陳述清晰,針對與論文內(nèi)容相關(guān)的Cosserat連續(xù)體基本理論、離散元法、液橋基本理論及非飽和多孔介質(zhì)的有效應(yīng)力做了簡要概述;針對所發(fā)展的離散元分析程序,給出了程序模塊說明、數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)及流程圖。
【學(xué)位授予單位】：大連理工大學(xué)
【學(xué)位級別】：博士
【學(xué)位授予年份】：2017
【分類號】：TB301
，

本文編號：1267871