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研究颗粒材料的力学性能具有重要的科学和工程实际意义,但由于颗粒材料本身的离散特性,对颗粒材料的研究需要涉及多个物理层次和机制,颗粒材料微观力学机制的理论研究和宏观力学性能的试验及模拟是研究颗粒材料力学性能的两个主要方向。
本文首先针对颗粒材料微观及细观力学机制进行研究,集中研究颗粒与颗粒间的接触本构关系及力学机理,推导颗粒间存在一定胶结物质情况下颗粒与颗粒间接触特性,特别推导和简化了颗粒区域胶结接触时,胶结物质对于颗粒间转动抵抗矩的影响和力学模型,为更大尺度分析颗粒材料性能提供了新的接触参考模型。
其次,本文基于密实、无粘聚三颗粒力链模型,引入已推导的颗粒间区域胶结接触的力学模型,推导在准静态荷载作用下且不考虑颗粒破损情况的力链变形和破坏力学机制,再通过引入颗粒间位移模式,考虑胶结颗粒相对转动所引起的转动抵抗矩,建立了胶结颗粒力链压曲变形结构力学分析模型,当颗粒胶结区域为零时,则该模型简化无胶结作用力链压曲变形模型。并在取定参数情况下,分析了区域胶结作用对于力链整体受力和变形的影响,分析表明区域胶结作用的存在能够极大限制颗粒间的相对转动和变形,能够起到锁定颗粒个体的作用,增加力链整体力学性能。
其三,通过基于离散单元法的数值模拟程序模拟颗粒材料室内三轴试验,以分析影响颗粒物质整体力学性能的微观参数,通过建立不同组构颗粒半径、不同颗粒间胶结强度、以及不同孔隙率的试验模型进行试验,分析组构颗粒半径、颗粒间胶结强度以及颗粒物质孔隙率对于颗粒材料整体力学性能的影响。
根据所得模拟试验数据分析得到,颗粒间胶结作用对于颗粒体材料整体力学性能的影响最大,胶结作用越强,颗粒物质力学性能越强,相同孔隙率和胶结作用下组构颗粒半径越小颗粒力学性能越强,而颗粒材料的性能在孔隙率达到一定值后才会随孔隙率的增加而逐渐减弱。