含硬通道的二维颗粒系统中力链的分布及演化特征探讨

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大量离散颗粒通过接触作用组成颗粒系统,颗粒材料的多尺度、多介质导致了颗粒系统具有复杂的力学特性。本文针对受集中力作用下、含硬通道的二维颗粒系统,以颗粒系统底部力学响应和内部力链网络为切入点,采用室内模型实验与离散元建模相结合的研究方法,分析探讨了硬通道尺寸特征,颗粒刚度比以及硬通道分布等参数对系统内部力学响应的影响,并进一步结合复杂网络理论,从细观力学的角度揭示了接触力链在随机颗粒系统中的分布及演化。宽度较大的硬通道长度(n)对二维规则系统底部力的分布影响较大,其峰值力、平均力、中间力和边界力随着n的增大而增大,特别是在通道贯穿底部之后,其底部力的分布形式发生明显变化,力偏向于在硬通道内部传递,向两侧墙面扩散的较少,此时实验显示中间力比无通道时增加了近20倍。此外,模拟得到的力链网络显示:随着n的增大,接触力在系统的上半部分更容易向两侧边界扩散,在下半部分更容易在中间区域叠加,两条60°方向的主力链强度先增后减,通道贯穿底部后,力链网络在顶部两侧边界出现明显隆起增强现象。二维随机系统中硬通道的长度对系统底部应力的分布影响很小,系统内部的力链网络的总体性质没有发生变化,不同深度处的水平和竖向合力在n≥80mm后,趋于一个固定值,但其平均度值、平均聚类系数和平均最短路径随之发生变化。较短通道的系统具有较小的平均度值和平均聚类系数,同时具有较大的平均最短路径,力链网络最为稀疏,通透性最差,力最不容易在其中传递;中等长度通道的系统则具有较大的平均度值和平均聚类系数,具有较小的平均最短路径,力链网络较为密集,通透性最好,力最容易在其中传递。二维规则系统中,实验与规则模拟均表明:较短硬通道的宽度(m)对系统底部力分布形式的影响较小,较长硬通道系统底部力的分布形式随着m的增大而发生变化。宽度的增加使力沿主力链方向传递的份额增加,同时主力链内侧区域出现弱力链的聚集,对于贯穿底部的硬通道,随着通道宽度的增加,力明显向主力链内部偏移,并在通道内部聚集,在宽度达到一定时,底部力的分布形式发生明显改变。随机系统中,m的变化不会引起底部应力分布形式的变化,随着m的增大,一侧的强力链网逐渐增强并蔓延,平均聚类系数随之减小,平均度值和平均最短路径先减后增。较宽的通道使力链网络的团簇性降低,传递效应降低。通道刚度增大时,力在规则系统中沿主力链方向的传递随着深度的增加向中间区域偏转,底部力在中间区域的数值增加,分布形式发生变化。力在随机系统中传递与之类似,且随着通道刚度的增加,力链网的连接程度变弱,接触力的传递效率变大,力链网络的的集团化程度呈降低的变化趋势。通道间距的变化会导致双硬通道系统底部力分布的变化。颗粒规则排列时,底部平均力和峰值力随着间距L的增加而减小,中间力先增后减,且其最大值对应的间距值随硬通道宽度的增加而减小;颗粒随机分布时,随着L的增加,底部平均应力和峰值应力先减后增,力链网络的连接程度逐渐增强,簇集程度加大,网络的通透性降低,力的传递效率减弱。
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