›› 2013, Vol. 34 ›› Issue (4): 922-932.

• 基础理论与实验研究 • 上一篇    下一篇

脆性颗粒材料的动态多尺度模型研究

黄俊宇1,徐松林1,王道荣2,胡时胜1   

  1. 1.中国科学技术大学 中国科学院材料力学行为和设计重点实验室,合肥 230027; 2.北京航天长征飞行器研究所 试验物理与计算数学实验室,北京 100076
  • 收稿日期:2012-01-18 出版日期:2013-04-10 发布日期:2013-04-16
  • 通讯作者: 徐松林,男,1976年生,博士,副教授,主要从事冲击动力学研究。E-mail: slxu99@ustc.edu.cn E-mail:boy210@mail.ustc.edu.cn
  • 作者简介:黄俊宇,男,1989年生,硕士研究生,主要从事颗粒物质动力学研究
  • 基金资助:

    国家自然科学基金资助(No. 40874093,No. 90916026);高等学校博士学科点专项科研基金资助(No. 20113402110008)

Investigation on dynamic multiscale model for brittle granular materials

HUANG Jun-yu1, XU Song-lin1, WANG Dao-rong2, HU Shi-sheng1   

  1. 1. CAS Key Laboratory for Mechanical Behavior and Design of Materials, University of Science and Technology of China, Hefei 230027, China; 2. The National Key Laboratory of Computational Mathematics & Experimental Physics, Beijing Institute of Space Long March Vehicle, Beijing 100076, China
  • Received:2012-01-18 Online:2013-04-10 Published:2013-04-16

摘要: 脆性颗粒材料的多尺度模型一般包含微观尺度的基本粒子、细观尺度的颗粒和宏观尺度的颗粒堆积体3个尺度。基于离散元方法(DEM)构建多尺度模型,并将该模型应用于动态加载。首先,对多尺度模型所涉及的两种接触模型和两种黏结模型的参数进行分析,详细讨论微细观模型参数与宏观材料常数之间的联系。然后,选用Hertz-Mindlin接触模型[1]和平行键黏结模型,建造石英砂的动态多尺度模型。通过选择合适的强度和局部阻尼参数发现,模型宏细观尺度上的动态压缩响应与对石英砂的相关试验结果吻合很好。利用多尺度模型和选定的参数,探讨与动态加载密切相关的局部阻尼机制对多尺度模型各个尺度上力学响应的影响。结果表明,阻尼越大则颗粒材料对波的衰减能力越强,但过高的阻尼会使团簇强度和模型的宏观压缩曲线都表现出异常的加载速度效应(后者实际是阻尼引起的微惯性效应)。另外,高阻尼会过度衰减颗粒破碎过程产生的应力波,从而阻碍颗粒破碎。最后,应用改进的动态多尺度模型,对脆性颗粒材料的动态破碎特性进行研究,发现该模型不但能给出与试验相吻合的颗粒级配曲线,还能揭示出颗粒破碎过程中微裂纹分布的空间不均匀性,即颗粒破碎过程中波的产生机制和衰减机制相互作用导致的微裂纹聚团分布的现象。

关键词: 脆性颗粒材料, 动态多尺度模型, 颗粒破碎, 动态加载, 阻尼

Abstract: The multiscale model for brittle granular materials generally involves three scales: elementary particles at the microscale, grains at the mesoscale, and grain piles at the macroscale. The multiscale model was created based on the discrete element method (DEM). To apply it to dynamic loading, parameters for two contact models and two bonding models were firstly analyzed, and connections between the micro and meso model parameters and the macro material constants were also discussed. Then, the dynamic multiscale model for quartz sand was created with the Hertz-Mindlin contact model and the parallel-bond model. Through selecting appropriate strength and local damping parameters, it is observed that the dynamic compression properties of the simulated sand agree well with the experimental results on quartz sand at both the meso and macro scale. With the calibrated model, the influence of the local damping mechanism which is closely related to dynamic loading, on the dynamic responses of the multiscale model was investigated. Results show that a higher damping level results in a stronger wave-attenuation ability of brittle granular materials. However, excessively high damping will result in an aberrant loading-velocity effect at both the meso and macro scale (the latter is actually the micro inertial effect induced by high damping). In addition, high damping can attenuate the waves emitted during the particle breakage process and reduce the breakage extent. At last, the multi-scale model was slightly modified and used to study the dynamic particle breakage property of brittle granular materials. The modified model can yield grain-size-distribution curves consistent with the experimental ones. Moreover, it can reveal the heterogeneous distribution of particle breakage at the space scale, which refers to the clustering phenomenon of microcracks caused by the interactions between the wave-producing and wave-attenuation mechanism in the particle breakage process.

Key words: brittle granular material, dynamic multi-scale model, particle breakage, dynamic loading, local damping

中图分类号: 

  • O 0347.3
[1] 梁珂, 何杨, 陈国兴, . 南沙珊瑚砂的动剪切模量和阻尼比特性试验研究[J]. 岩土力学, 2020, 41(1): 23-31.
[2] 芮圣洁, 国振, 王立忠, 周文杰, 李雨杰, . 钙质砂与钢界面循环剪切刚度与阻尼比的试验研究[J]. 岩土力学, 2020, 41(1): 78-86.
[3] 李小刚, 朱长歧, 崔翔, 张珀瑜, 王睿, . 含碳酸盐混合砂的三轴剪切试验研究[J]. 岩土力学, 2020, 41(1): 123-131.
[4] 张凌凯, 王睿, 张建民, 唐新军, . 考虑颗粒破碎效应的堆石料静动力本构模型[J]. 岩土力学, 2019, 40(7): 2547-2554.
[5] 彭宇, 丁选明, 肖杨, 楚剑, 邓玮婷, . 基于染色标定与图像颗粒分割的 钙质砂颗粒破碎特性研究[J]. 岩土力学, 2019, 40(7): 2663-2672.
[6] 孔宪京, 宁凡伟, 刘京茂, 邹德高, 周晨光, . 应力路径和干湿状态对堆石料颗粒破碎的影响研究[J]. 岩土力学, 2019, 40(6): 2059-2065.
[7] 梁 珂, 陈国兴, 何 杨, 刘景儒, . 基于相关函数理论的动模量和阻尼比计算新方法[J]. 岩土力学, 2019, 40(4): 1368-1376.
[8] 丁建源, 陈晓斌, 张家生, 刘怡吟, 肖源杰, . 基于对数几率回归模型的粗颗粒土颗粒 破碎过程演化研究[J]. 岩土力学, 2019, 40(4): 1465-1473.
[9] 郭万里, 朱俊高, 钱 彬, 张 丹, . 粗粒土的颗粒破碎演化模型及其试验验证[J]. 岩土力学, 2019, 40(3): 1023-1029.
[10] 崔春义, 孟 坤, 武亚军, 马科研, 梁志孟, . 轴对称径向非均质土中单桩纵向振动特性研究[J]. 岩土力学, 2019, 40(2): 570-579.
[11] 张小燕, 蔡燕燕, 周浩燃, 杨 洋, 李玉龙, . 珊瑚砂大剪切应变下的剪切特性和分形维数[J]. 岩土力学, 2019, 40(2): 610-615.
[12] 许紫刚, 杜修力, 许成顺, 张驰宇, 蒋家卫. 地下结构地震反应分析中场地瑞利阻尼 构建方法比较研究[J]. 岩土力学, 2019, 40(12): 4838-4847.
[13] 郭万里, 蔡正银, 武颖利, 黄英豪. 粗粒土的颗粒破碎耗能及剪胀方程研究[J]. 岩土力学, 2019, 40(12): 4703-4710.
[14] 庄心善, 王俊翔, 王 康, 李 凯, 胡 智. 风化砂改良膨胀土的动力特性研究[J]. 岩土力学, 2018, 39(S2): 149-156.
[15] 纪文栋,张宇亭,王 洋,裴文斌, . 循环单剪下珊瑚钙质砂和普通硅质砂剪切特性对比研究[J]. , 2018, 39(S1): 282-288.
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[1] 崔皓东,朱岳明. 二滩高拱坝坝基渗流场的反演分析[J]. , 2009, 30(10): 3194 -3199 .
[2] 何思明,吴 永,李新坡. 嵌岩抗拔桩作用机制研究[J]. , 2009, 30(2): 333 -337 .
[3] 刘清秉,项 伟,张伟锋,崔德山. 离子土壤固化剂改性膨胀土的试验研究[J]. , 2009, 30(8): 2286 -2290 .
[4] 况雨春,伍开松,杨迎新,马德坤. 三牙轮钻头破岩过程计算机仿真模型[J]. , 2009, 30(S1): 235 -238 .
[5] 杜文琪,王 刚. 土工结构地震滑动位移统计分析[J]. , 2011, 32(S1): 520 -0525 .
[6] 鄢治华,刘志伟,刘厚健. 黄河阶地上某电厂高边坡参数选取及其工程治理[J]. , 2009, 30(S2): 465 -468 .
[7] 许振浩 ,李术才 ,李利平 ,侯建刚 ,隋 斌 ,石少帅. 基于层次分析法的岩溶隧道突水突泥风险评估[J]. , 2011, 32(6): 1757 -1766 .
[8] 江 权 ,冯夏庭 ,周 辉 ,赵 阳 ,徐鼎平 ,黄 可 ,江亚丽. 层间错动带的强度参数取值探讨[J]. , 2011, 32(11): 3379 -3386 .
[9] 温世清 ,刘汉龙 ,陈育民. 浆固碎石桩单桩荷载传递特性研究[J]. , 2011, 32(12): 3637 -3641 .
[10] 李顺群 ,高凌霞 ,柴寿喜. 冻土力学性质影响因素的显著性和交互作用研究[J]. , 2012, 33(4): 1173 -1177 .