颗粒体系中的骨架及力链网络

颗粒物质是大量离散的固体颗粒相互作用而组成的复杂体系,具有非连续和接触耗散等基本特征,其物理机制研究是近20年科学前沿之一。砂土就是典型的颗粒物质,土体中的有效应力是作用在土体骨架上的平均应力,土体变形主要来源于骨架上的颗粒位置,但对土体骨架并没有一个清晰的物理描述。近期颗粒物质力学研究认为,体系中颗粒相互接触形成的网络结构是外荷载传递路径的物理基础,可能就是土力学所指的骨架。同时还发现,较大的力通常沿着准直线的路径传递,人们常把传递较大力、与该准直线路径对应的若干颗粒组成的链状结构,称为强力链;弱力链则传递较小力。力链结构及其演变规律的描述是颗粒物质研究的核心之一。以单轴侧限压缩数值模拟为例,对比说明了土体颗粒骨架与力链结构的关系,明确提出强力链网络决定颗粒体系的宏观力学行为。     

颗粒接触力检测方法评述

颗粒物质是大量固体颗粒体系的集合体,其特性区别于普通固体和液体等物质的性质,颗粒物质基础力学问题的研究20年来一直是科学的前沿,从分析多尺度结构和相关物理机制的角度研究颗粒物质可能取得突破。首先介绍了微观尺度--亦即单颗粒尺度颗粒间接触力的检测方法,包括高精度电子天平称重法、显色灵敏复写纸压痕方法、光弹实验方法、荧光共聚焦显微镜法和磁共振弹性成像法等,根据检测过程中是否对颗粒带来影响划分为接触式检测和非接触式检测两大类,并对这些方法的工作原理、检测结果和优缺点进行了评述。我们指出接触式测量对颗粒体系带来了或多或少的干扰,特别是由于力链对局部力的变化反应极为敏感,轻微的变化足以使得力链结构发生很大变化,开展无干扰的光测实验是必然的发展趋势,而现阶段开展二维光弹性实验是很有意义的。最后介绍了作者正在进行的颗粒物质光弹力学实验的研究工作。     

沙粒起跃的动态模拟

沙粒起跃规律是风沙运动微观机理研究和宏观工程应用相联系的纽带,目前进展缓慢且不成熟。本文建立了简洁的沙粒碰撞模型,构造了单颗沙粒以11.5°的碰撞角高速撞击由9000个沙粒组成的沙床的计算机实验,以10^-6秒为时间步长精细模拟了被碰沙粒起跃的全过程,对起跃沙粒的空间分布、速度大小和方向以及入射沙粒速度的影响进行了细致研究,其中起跳速度大小符合指数分布,与已知观测结果符合较好。     

刚性块体压入颗粒体系时的受力及力链演变

颗粒体系由大量离散颗粒组成,普遍存在于自然界中,比如砂土地基、泥石流及滑坡体等。外荷载通常沿着准直形的路径在体系内传递,形成区别于单个颗粒和整个体系的细观结构--力链,亦即颗粒物质具有典型的多尺度特征。采用颗粒离散元方法模拟刚性块体压入颗粒体系的过程,计算得到了刚性块体底部所受阻力与压入深度的幂率关系;给出力链的判断准则和搜索强力链程序,构建颗粒体系强力链网络,并分析了压入试验过程中力链的演变及其长度的分布规律。     

两刚性圆球间双黏度流体挤压流动压力分析

颗粒物质是大量固体颗粒相互作用而组成的复杂体系。颗粒间孔隙水具有复杂连通结构和复杂的流动规律,直接影响颗粒体系的变形和强度,目前颗粒间隙液体的挤压流动和剪切运动分析是流体力学的难点。基于Reynolds润滑理论,导出了存在填隙双黏度流体时,两刚性圆球间流体的挤压流动速度场和压力方程。根据应力的变化情况,将流体分为屈服区和未屈服区,讨论了两区厚度与流体及颗粒参数的关系,分析了流体压力分布随计算参数的变化规律,得到了法向挤压黏性力的积分表达式,并给出了黏性力随不同参数的变化规律。