低速刚性体冲击密实散体介质的动力学实验与理论研究

摘要

干沙颗粒所组成的散体介质是一类具有典型多尺度耦合效应的物理对象.如果将颗粒等效为理想质点,从经典力学的角度理解,该类系统可表示为一个包含无穷多质点的复杂多体系统.该类系统在受到外部冲击作用,由于散体颗粒间之间受到典型的Coulomb 摩擦效应,所反映出来的宏观性质在不同的物理阶段具有明显不同的宏观物理特征.散体性质会发生从固态到流动状态,以及从流动状态到固态的转化过程.研究刚体冲击作用下的散体介质的动力学行为已成为当前多个学科所关注的重要科学问题.揭示这类复杂系统动力学过程的一个有效手段是基于实验现象发现和归纳相关的物理规律.我们首先建立了具有3 米高程的跌落台架,通过不同高度释放具有不同直径的刚性圆柱体,利用加速度计和高速摄像装置采集圆柱体冲击干沙界面时的动态加速度和位移信息.通过大量的实验数据我们发现,刚性圆柱体在与干沙颗粒冲击作用的过程中具有典型的三个特征阶段:颗粒流化阶段;流动加速阶段;流动减速至固化阶段.实验数据同时表明:颗粒流化阶段存在一个稳定的临近屈服强度,并且该临界屈服强度满足土壤力学塑性滑移线理论模式.在流动加速阶段中,颗粒之间的Coulomb 摩擦作用将呈现与速度相关的粘性力特征,并且具有一个稳定的常数值.而在流动减速阶段,该粘性力将与刚体运动的速度以及静水压力密切相关.在以上实验现象观察的基础上,我们提出了描述圆柱型刚体与散体介质不同冲击阶段的有效的简化模型.在颗粒流化阶段,将冲击过程等效为固体介质中的冲击波效应,并根据塑性滑移线理论确定颗粒介质流化时的静水压力.在散体流动过程中,将散体介质与刚性圆柱之间的相互作用等效为与压人深度相关的静水压力项和与速度相关的粘性阻力项.同时,该粘性阻力项与时变的特征长度相关.并且发现,特征长度的变化规律受到一个无量纲惯性常数的控制.在以上模型的基础上,数值模拟结果能够有效的和相关实验结果吻合.同时,该模型能够有效的描述于球壳刚体与散体介质的冲击行为,并与相关的实验结果相吻合.本文的研究成果对深刻理解受冲击作用下的散体介质性质具有积极的作用.如何建立散体介质流动过程中的粘性力特征与Coulomb摩擦之间的关联效应将是我们今后的重要研究内容.