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《武汉大学》 2017年
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颗粒破碎与形状对颗粒材料力学性质影响的离散元研究

周伦伦  
【摘要】:颗粒材料由大量离散颗粒组成,广泛存在于地质灾害、岩土工程、化学工程、环境科学和交通运输等诸多领域中。其宏观力学性质由颗粒的破碎、形状、尺寸分布、空间排布、接触关系和材料属性等细观因素决定。离散元法根据颗粒材料的离散特性建立数值模型,将颗粒材料视为由若干离散颗粒单元组成的集合体,提供了一种从细观尺度研究颗粒材料力学性质的有效途径。基于离散元数值模拟,本文针对颗粒破碎和颗粒形状对颗粒材料宏细观力学性质的影响进行了相关研究。具体研究内容如下:首先,鉴于非规则颗粒形状对颗粒滚动的阻碍作用,在传统离散元法的基础上引入了抗滚动接触模型,将在接触颗粒间引入颗粒滚动阻矩作为一种模拟颗粒形状影响的简化方法。定义了颗粒破碎强度满足Weibull统计分布的破碎准则和子颗粒粒径分布满足分形理论的破碎模式,采用以子颗粒簇替换破碎颗粒的方法来模拟颗粒破碎。通过离散元双轴压缩数值试验分析了颗粒滚动和颗粒破碎对颗粒材料各向异性演化规律的影响,发现颗粒滚动阻矩增大了颗粒材料接触力链的稳定性,导致几何各向异性和接触力的各向异性显著增强,但是不同来源的各向异性强度对颗粒材料剪切强度的贡献比例不受影响;而颗粒破碎会显著削弱颗粒材料的各向异性强度,改变各向异性强度对剪切强度贡献的比例关系。其次,使用Clump颗粒模拟非规则形状的颗粒,对于不同形状的Clump颗粒,基于颗粒滚动能量耗散相等原理,建立其形状特征与抗滚动接触模型中的滚动摩擦系数之间的联系。通过对比非规则颗粒试样和考虑滚动阻矩的圆形颗粒试样的应力应变行为和各向异性演化规律,分析了通过考虑滚动阻矩模拟颗粒形状影响的有效性和局限性。发现采用颗粒滚动阻矩模拟颗粒形状影响的有效性与非规则颗粒的圆形度相关。对于圆形度较低的非规则颗粒,采用颗粒滚动阻矩模拟颗粒形状影响的效果较差,而颗粒圆形度较高时,采用颗粒滚动阻矩模拟颗粒形状影响的有效性较高。最后,采用三维离散元粘结团粒模拟可破碎颗粒,研究真三轴应力状态下颗粒材料的破碎行为,通过颗粒级配的演化过程和基于级配所定义的相对破碎率来分析剪切过程中颗粒破碎的演化规律。通过颗粒破碎强度,应力应变关系以及颗粒破碎率等数值结果与室内试验结果的定量化对比,验证了数值试验结果的正确性。数值试验结果表明中主应力参数对可破碎颗粒材料的剪切强度,剪胀性和破碎演化过程均有着显著影响。试样相对破碎率随围压和应变增大而逐渐增大,但增大的速率逐渐降低,暗示试样最优终极级配的存在,且相对破碎率与试验输入能量之间存在唯一的双曲线关系。
【学位授予单位】:武汉大学
【学位级别】:博士
【学位授予年份】:2017
【分类号】:O347.7

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