岩土力学 ›› 2026, Vol. 47 ›› Issue (10): 3537-3550.doi: 10.16285/j.rsm.2025.0953CSTR: 32223.14.j.rsm.2025.0953

• 基础理论与实验研究 • 上一篇    下一篇

球形单颗粒循环冲击破碎的动态分形演化研究

潘乾通1, 2,刘星炎1, 2,田健秋3   

  1. 1.石河子大学 水利建筑工程学院,新疆 石河子 832003;2.石河子大学 寒旱区生态水利工程兵团重点实验室,新疆 石河子 832003; 3.西南石油大学 地球科学与技术学院,四川 成都 610500
  • 收稿日期:2025-09-06 接受日期:2026-01-26 出版日期:2026-10-10 发布日期:2026-10-09
  • 通讯作者: 刘星炎,男,1993 年生,博士,副教授,硕士生导师,主要从事岩土力学特性及其本构模型方面的研究工作。E-mail:dr.liuxingyan@foxmail.com
  • 作者简介:潘乾通,男,1994 年生,硕士研究生,主要从事岩土力学方面的研究工作。E-mail:panqian15@163.com
  • 基金资助:
    兵团科技创新人才(基础研究)项目(No. 2023CB008-28);天山英才项目(青年托举)(No.2024TSYCQNTJ0060);石河子大学高层次人才科研启动项目(No. RCZK202023);石河子大学青年创新人才计划(No.CXPY202116)。

Dynamic fractal evolution of spherical single-particle fragmentation under cyclic impact

PAN Qian-tong1, 2, LIU Xing-yan1, 2, TIAN Jian-qiu3   

  1. 1. College of Water Conservancy & Architectural Engineering, Shihezi University, Shihezi, Xinjiang 832003, China; 2. Key Laboratory of Cold and Arid Regions Eco-Hydraulic Engineering of Xinjiang Production & Construction Corps, Shihezi University, Shihezi, Xinjiang 832003, China; 3. School of Geoscience and Technology, Southwest Petroleum University, Chengdu, Sichuan 610500, China
  • Received:2025-09-06 Accepted:2026-01-26 Online:2026-10-10 Published:2026-10-09
  • Supported by:
    This work was supported by the Science and Technology Innovation Talent Program of Bingtuan (2023CB008-28), the Tianshan Talents Program (Youth Talent Lift-up Program) (2024TSYCQNTJ0060), the Start-up Program of Scientific Research for High-level Talents in Shihezi University (RCZK202023) and the Young Innovative Talents Program of Shihezi University (CXPY202116).

摘要:

通过调控冲击能量(E=6.27、9.41、12.54 J)、冲击次数(n=1~15)及颗粒粒径(d=20、30、40 mm),系统揭示球形颗粒破碎分形维数D的动态演化机制。试验结果表明:(1)D随n呈非线性分段增长,初始冲击阶段(n=1~5)触发脆性断裂(如d=30 mm,E=12.54 J时,ΔD/Δn=0.062/次),后续冲击(n>5)因能量耗散导致增速衰减至0.015/次。(2)冲击能量-粒径-冲击次数之间存在耦合机制,冲击能量主导初始破碎效率,E从6.27 J提升至12.54 J使40 mm颗粒的D终值增长了13.5%;小粒径(20 mm)因应力集中效应显著提升D初始值;冲击次数对D的增益效率随n增加而衰减。(3)基础模型能够表征尺寸效应(多数工况误差<5%);扩展模型引入分形混沌系数χ,显著提升小颗粒预测精度。两类模型基本捕获了E-n-d耦合机制,是定量预测颗粒破碎的有效工具。

关键词: 颗粒破碎, 分形维数演化, 分形混沌系数, 尺寸效应, 破碎动力学模型

Abstract:

By controlling impact energy (E=6.27, 9.41, 12.54 J), number of impacts (n =1−15), and particle size (d =20, 30, 40 mm), this study systematically investigates the dynamic evolution of the fractal dimension D during the crushing of spherical particles. The experimental results demonstrate that D increases with n in a nonlinear, multi-stage manner. During the initial impact stage (n =1−5), brittle fracture is induced. For example, with d=30 mm and E=12.54J, ΔD/Δn reaches 0.062 per impact. In the subsequent stage (n>5), the growth rate decreases to 0.015 per impact due to energy dissipation. A coupling mechanism exists among impact energy, particle size, and impact number. E dominates the initial crushing efficiency; increasing E from 6.27 J to 12.54 J enhances the final D by 13.5% for 40 mm particles. Smaller particles (20 mm) exhibit higher initial D due to stress concentration. The reinforcing effect of n on D decays as impacts accumulate. The basic model effectively characterizes the size effect, with errors <5% under most conditions. An extended model incorporating the fractal chaotic coefficient χ significantly improves prediction accuracy for fine particles. Both models capture the E-n-d coupling mechanism and provide an effective tool for quantitatively predicting particle crushing.

Key words: particle fragmentation, fractal dimension evolution, fractal chaotic coefficient, size effect, fragmentation dynamics model

中图分类号: TU 411
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