本文關(guān)鍵詞：顆粒固體的力學響應和聲波傳播的研究　出處：《中國科學院大學(中國科學院物理研究所)》2017年博士論文　論文類型：學位論文

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【摘要】：顆粒物質(zhì)兼有離散、宏觀、多體的特點,是在地球上存在的最廣泛的物質(zhì)聚集狀態(tài)之一。它的離散特點使它和通常的物質(zhì)形態(tài)有很大的不同,表現(xiàn)出非常多的奇特現(xiàn)象,既能表現(xiàn)出像通常的氣態(tài)、液態(tài)、固態(tài)的性質(zhì),但又有很大的差別,這激起了人們對它的研究興趣。最近關(guān)于顆粒固體的研究,尤其是對其發(fā)生Jamming轉(zhuǎn)變的研究有許多新的進展。顆粒物質(zhì)處于jammed狀態(tài)時能抵抗一定的外界剪切力,而當發(fā)生jammed狀態(tài)向unjammed狀態(tài)轉(zhuǎn)變時,顆粒物質(zhì)表現(xiàn)出流動的特性;顆粒固體這些特性的研究對于深入理解工業(yè)生產(chǎn)中顆粒體系的突發(fā)事件(如堆積物料的崩塌),以及地質(zhì)災害有很重要的現(xiàn)實意義。這篇論文的工作主要包括以下兩個方面:1)顆粒固體體系在三軸壓縮條件下的力學響應的研究。2)顆粒固體體系中的聲波傳播的影響因素的實驗探討,以及聲速-壓力指數(shù)關(guān)系轉(zhuǎn)變的研究。首先對于三軸壓縮條件下顆粒固體的力學響應,之前已有許多的工作討論了。在我們的實驗工作中,采用不同的顆粒材料(顆粒的粒徑大小、分布),不同的樣品制備歷史,不同的加載控制方案,討論顆粒固體樣品的應力-應變響應,以及滯滑、蠕變等現(xiàn)象。由于顆粒固體是由大量離散的顆粒構(gòu)成的,顆粒的性質(zhì)如粗糙度、級配等對顆粒固體宏觀的性質(zhì)如應力-應變曲線上的屈服點是有顯著影響的;我們也觀察到了顆粒固體樣品的圍壓,以及剪切速率,甚至連樣品的制備歷史也是會影響應力-應變曲線。在實驗中我們發(fā)現(xiàn)應力-應變的臨界區(qū)具有類似于通常固-液轉(zhuǎn)變臨界的特點,并且不受樣品制備歷史的影響;當加載力稍小于屈服強度,顆粒樣品不斷蠕變,應變越來越慢并趨于穩(wěn)定;而當加載力大于屈服強度時,顆粒固體樣品形變是加速的,就像不能承重的液體一樣。這里驅(qū)動顆粒固體‘液化(或者說Jamming transition)’的手段是三軸壓縮;我們認為在顆粒固體體系受壓發(fā)生‘液化’的區(qū)域是局域化的,對三維顆粒固體目前還沒有好的方法去動態(tài)的觀察和研究。剪切轉(zhuǎn)變區(qū)理論(Shear Transformation Zone,STZ)能被應用來討論顆粒固體的這種不均勻‘液化’的理論,我們嘗試利用此方法對實驗結(jié)果進行討論,但由于我們的體系是三維的,沒辦法觀察到顆粒體系內(nèi)部的情況,所以只是在粗糙假設(shè)的前提下采用STZ理論對實驗中的現(xiàn)象做了說明。其次,我們將聲波作為探測顆粒固體內(nèi)部結(jié)構(gòu)的一種手段,小振幅的聲波不對體系內(nèi)部結(jié)構(gòu)產(chǎn)生實質(zhì)性的影響。我們通過實驗討論了顆粒樣品的厚度、應變、邊界條件對其的影響。發(fā)現(xiàn)樣品厚度對聲速隨壓力的指數(shù)關(guān)系是有影響的,樣品越厚,聲速-壓力指數(shù)越大,剪切波中的這種現(xiàn)象比壓縮波更明顯。在探討顆粒固體樣品的應變對聲速的影響時,我們發(fā)現(xiàn)聲速隨應變的增大會增加并漸漸趨于穩(wěn)定,所以若在樣品應變前測量聲速必定是偏小的,這啟示我們樣品的密實度對聲速-壓力指數(shù)在較小壓力區(qū)偏離等效介質(zhì)理論(Effective Media Theory,EMT)也許有貢獻,也啟示我們在測量顆粒樣品的聲速前,適當?shù)念A壓樣品是很有必要的。對于不同邊界條件下的顆粒固體樣品,邊界的軟硬度以及對樣品圍向的力是不同的,這會影響剪切波相干波部分的波形,但在首次加載條件下聲速-壓力的指數(shù)表現(xiàn)卻是相同,不受邊界條件的影響。最后,由于剪切波速常被用來作為顆粒體系形成穩(wěn)定剪切帶的標志,并且至今對聲速-壓力的指數(shù)關(guān)系偏離EMT的預測的原因,還是爭論的焦點,我們專門討論了顆粒固體樣品中的聲速。對樣品循環(huán)加載、邊界條件的影響做了實驗探測,發(fā)現(xiàn)在單軸邊界條件下,隨著循環(huán)加載的進行,聲速-壓力指數(shù)的轉(zhuǎn)變越來越明顯,這在各向同性邊界中并未出現(xiàn)。在理論上,我們考慮進樣品密度、配位數(shù)、以及加載過程中力的轉(zhuǎn)向比等因素對EMT進行修正,并對實驗結(jié)果進行分析,發(fā)現(xiàn)實驗結(jié)果和理論預測之間的偏差還是沒有消除。顆粒固體中聲波傳播的復雜性,源于顆粒固體內(nèi)部接觸網(wǎng)絡(luò)的敏感性和復雜性,以及力鏈結(jié)構(gòu)的各向異性。在加載力的作用下,一條強力鏈的斷裂的同時,可能導致很多新的弱力鏈的形成,從而接觸網(wǎng)絡(luò)上多個節(jié)點被激活而傳播聲波,這是一種非線性的變化,EMT等理論的描述還是顯得很不足。
【學位授予單位】：中國科學院大學(中國科學院物理研究所)
【學位級別】：博士
【學位授予年份】：2017
【分類號】：O482

【參考文獻】

中國期刊全文數(shù)據(jù)庫 前4條

1 厚美瑛;;顆粒氣體的團簇行為[J];物理;2016年04期

2 張昱;韋艷芳;彭政;蔣亦民;段文山;厚美瑛;;傾斜沙漏流與顆粒休止角研究[J];物理學報;2016年08期

3 厚美瑛;Zhiyue Lu;;“麥克斯韋妖”機[J];物理;2014年08期

4 陸坤權(quán),劉寄星;顆粒物質(zhì)(下)[J];物理;2004年10期

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本文編號：1316999