沖擊作用下顆粒介質(zhì)的動(dòng)力學(xué)特性及尺度關(guān)系的理論研究

沖擊作用下顆粒介質(zhì)的動(dòng)力學(xué)特性及尺度關(guān)系的理論研究顆粒介質(zhì)在外界作用下的動(dòng)力學(xué)過(guò)程是顆粒動(dòng)力學(xué)研究中的一個(gè)基礎(chǔ)性問(wèn)題。由丁顆粒物質(zhì)典型的離散性，導(dǎo)致其在外界沖擊作用下會(huì)表現(xiàn)出豐富的動(dòng)力學(xué)行為，如沖擊后通常會(huì)發(fā)生屈服，其局部化的應(yīng)變場(chǎng)會(huì)導(dǎo)致固體狀態(tài)和流體狀態(tài)同時(shí)存在并發(fā)生和互演化。另外，顆粒之間縻擦和非彈性碰撞具有高度的非線性，使得顆粒介質(zhì)具有獨(dú)特的耗散特征。開(kāi)展顆粒介質(zhì)沖擊動(dòng)力學(xué)過(guò)程及相應(yīng)的力學(xué)行為研究，能夠從機(jī)理上促使我們更加深入地理解與顆粒物質(zhì)沖擊相關(guān)的許多復(fù)雜自然現(xiàn)象,從更大的范圍上揭示沖擊物體在離散類(lèi)材料中運(yùn)動(dòng)時(shí)的拖曳力，以及由此導(dǎo)致的材料內(nèi)部的復(fù)雜流變過(guò)程。因此，本博士論文基于離散單元模型，對(duì)二維顆粒介質(zhì)受沖擊后的動(dòng)力學(xué)過(guò)程進(jìn)行了系統(tǒng)的研究，主要考慮了斜沖擊下顆粒介質(zhì)的動(dòng)力學(xué)過(guò)程及蘊(yùn)含的標(biāo)度關(guān)系,在此基礎(chǔ)上分析了顆粒旋轉(zhuǎn)對(duì)整個(gè)沖擊動(dòng)力學(xué)過(guò)程及尺度關(guān)系的影響規(guī)律。最后，針對(duì)沖擊坑坍塌過(guò)程中的密集顆粒流,通過(guò)考慮顆粒介質(zhì)中應(yīng)力波動(dòng)幅值的概率分布以及剪切速率與體積分?jǐn)?shù)的耦合作用，提岀了一種能描述斜而剪切流動(dòng)的修正的非局部流變模型。本傅士論文主要包括以下幾方而的內(nèi)容：1.建立了能夠描述顆粒介質(zhì)基本力學(xué)行為的離散動(dòng)力學(xué)模型及相應(yīng)的統(tǒng)計(jì)方法,在此基礎(chǔ)上模擬了顆粒介質(zhì)在斜沖擊作用下的動(dòng)力學(xué)過(guò)程,定性考慮了沖擊角度對(duì)沖擊顆粒運(yùn)動(dòng)軌跡形態(tài)的影響規(guī)律，并定量分析了沖擊深度、沖擊時(shí)間與初始沖擊速度之間的標(biāo)度關(guān)系。通過(guò)對(duì)微觀粒子間的接觸力的統(tǒng)計(jì)分析，提出了一個(gè)能夠準(zhǔn)確描述沖擊粒子在顆粒介質(zhì)運(yùn)動(dòng)過(guò)程中所受阻力的唯象模型，并對(duì)此阻力模型進(jìn)行了驗(yàn)證。2.考慮顆粒介質(zhì)受旋轉(zhuǎn)顆粒斜沖擊后的動(dòng)力學(xué)行為，主要分析了粒子的初始角速度對(duì)其沖擊深度的影響規(guī)律，發(fā)現(xiàn)沖擊顆粒的旋轉(zhuǎn)角速度對(duì)沖擊深度的影響具有明顯的臨界性,并且此臨界角速度主要受沖擊速度和沖擊角度的影響。從而進(jìn)一步給出了臨界角速度與沖擊速度和沖擊角度所滿足的定最關(guān)系。最后分析了沖擊顆粒的初始旋轉(zhuǎn)對(duì)沖擊深度與初始沖擊速度的線性標(biāo)度關(guān)系的影響規(guī)律。3.分析了系統(tǒng)參數(shù)變化（沖擊顆粒與床面顆粒介質(zhì)的密度比和粒徑比）及沖擊顆粒的速度對(duì)其沖擊后運(yùn)動(dòng)形式的影響規(guī)律。在提bm區(qū)分沖擊顆粒三種不同運(yùn)動(dòng)形式判定標(biāo)準(zhǔn)的基礎(chǔ)上,給出了能表征顆粒運(yùn)動(dòng)形式的反彈與侵入臨界角度與沖擊速度及系統(tǒng)參數(shù)（密度比和粒徑比）的定最關(guān)系。4.基于Pouliquen提岀的非局部流變模型，考慮顆粒介質(zhì)中某個(gè)位置的重新排列引起的應(yīng)力波動(dòng)使得其它位置處顆粒的運(yùn)動(dòng),在這個(gè)理論框架內(nèi)改進(jìn)了顆粒介質(zhì)中應(yīng)力波動(dòng)幅值的概率密度分布的具體形式,同時(shí)通過(guò)考慮剪切速率與應(yīng)力分布的積分關(guān)系在迭代計(jì)算中剪切速率與體積分?jǐn)?shù)的耦合作用,提出了一種修正的非局部流變模型。應(yīng)用此修正的非局部流變模型對(duì)斜面剪切顆粒流的流動(dòng)特性進(jìn)行預(yù)測(cè)，得到的顆粒流動(dòng)的臨界厚度、半均流動(dòng)速度及剪切速率廓線等與原有的非局部流變模型預(yù)測(cè)結(jié)果相比，均與實(shí)驗(yàn)結(jié)果更加吻合。此修正模型的提出為更加復(fù)雜的密集顆粒流的描述和表征提供了一種新的研究思路?？傊?通過(guò)對(duì)顆粒介質(zhì)受斜沖擊后的動(dòng)力過(guò)程的模擬、對(duì)其蘊(yùn)含的標(biāo)度律的分析以及對(duì)坍塌過(guò)程中斜面顆粒流流變模型的修正，本文建立了一套能夠描述顆粒介質(zhì)動(dòng)力學(xué)過(guò)程的理論模型及統(tǒng)計(jì)方法。這方而的研究不僅能揭示和分析顆粒介質(zhì)受沖擊后的復(fù)雜動(dòng)力學(xué)過(guò)程，同時(shí)也能為研究與顆粒介質(zhì)沖擊相關(guān)的基礎(chǔ)性問(wèn)題提供重要的理論依據(jù)