钢珠颗粒体系受集中力时的力链研究

摘要

在工程实际中，颗粒物质的力学性质研究具有非常重要的意义。颗粒间力的传播路径（即力链），决定着颗粒物质宏观及微观的力学性质。由于颗粒物质具有离散性和能量耗散性，颗粒的运动具有不确定性和无序性，颗粒间的接触力及力链的分布情况决定了颗粒物质的力学性质。
　　为了得到真实钢珠颗粒间的接触力大小和力链的分布，本文使用数字图像相关方法(Digital Image Correlation，DIC)对二维钢珠颗粒受集中压力的试验进行了处理，通过(Granular Element Method，GEM)方法中的牛顿力学理论和颗粒线性动量平衡求得接触力。本文主要进行了以下工作并得到了相关成果:
　　(1)查阅了国内外对颗粒物质性质研究的相关文献，了解了国内外力链发展的现状。研究了DIC方法的基本原理及其在颗粒物质性质方面的优势。对GEM方法及其在颗粒受力中的应用进行了相关的调研。
　　(2)设计了单层钢珠颗粒受集中压力的试验，采用CCD相机连续采集的方法获取钢珠受力运动过程中的初始图像。后处理采用数字图像相关方法得到全场应变，并根据胡克定律求得全场应力。采用Matlab编程处理初始图像得到颗粒排列结构及每个颗粒上的平均应力。
　　(3)分析了GEM方法中根据牛顿力学理论和颗粒线性动量平衡求颗粒间接触力的原理，对已求得的平均应力和颗粒排列结构进行计算，最终求得颗粒间接触力的大小和方向，得到了颗粒中的力链分布。
　　(4)通过对颗粒间强力链长度分布规律的统计分析，得到了颗粒间强力链长度分布的概率密度函数;通过Matlab绘制颗粒间接触力箭头分布图，得到了刚性压条压入颗粒体系时强弱力链的出现、发展、演变以及力链网络的形成过程;通过跟踪观察单个颗粒上接触力变化，得到在原有强力链发生断裂、新的强力链形成的过程中，颗粒间接触力会产生减小然后增大的过程。在其他强力链形成力链网络时颗粒间接触力变化也存在以上规律。

目录

声明

摘要

第1章 绪论

1．1 引言

1．1．1 颗粒物质研究背景

1．1．2 颗粒物质的性质及研究难点

1．1．3 力链的研究意义

1．2 力链发展的研究现状

1．2．1 力链发展的国外研究现状

1．2．2 力链发展的国内研究现状

1．3 数字图像相关方法(DIC)发展现状

1．3．1 关于数字图像相关方法

1．3．2 数字图像相关方法的国外发展现状

1．3．3 数字图像相关方法的国内发展现状

1．3．4 二维数字图像相关方法在岩土领域的研究现状

1．4 接触力求解——颗粒元法(GEM)

1．5 本文研究思路及主要内容

第2章 数字图像相关方法(DIC)原理及应用

2．1 DIC基本原理

2．2 DIC相关搜索算法涉及的变量

2．3 颗粒试验相关函数的选择

2．3．1 几种相关函数的数学形式

2．3．2 颗粒试验所需的相关函数形式

2．4 相关搜索方法

2．4．1 相关搜索方法的基本步骤

2．4．2 初值的设定方法

2．5 影响相关算法精度的因素

2．6 本章小结

第3章 颗粒单元法(GEM)基本原理及应用

3．1 GEM方法基本原理

3．2 牛顿力学平衡方程的建立

3．3 颗粒线性动量平衡方程的建立

3．4 本章小结

第4章 钢珠颗粒受集中压力试验

4．1 试验背景

4．2 试验所需仪器和设备概述

4．3 试验的准备过程

4．3．1 颗粒试件尺寸

4．3．2 固定材料的制备

4．3．3 试件的制备

4．4 试验设计及试验步骤

4．4．1 对比试验设计

4．4．2 试验步骤

4．4．3 数据标定

4．5 试验结果及相关数据处理

4．5．1 初始图像及数据的处理

4．5．2 用DIC进行相关处理

4．5．3 求应力及颗粒排列结构

第5章 结果分析

5．1 试验结果分析

5．1．1 刚条底部接触力变化

5．1．2 强力链长度概率密度分布

5．1．3 颗粒间接触力分布图

5．2 力链形成规律与颗粒体系参数的关系

5．2．1 接触力大小分布与力链形成的关系

5．2．2 单个颗粒上力的变化

5．3 对比试验结果分析

5．4 本章小结

第6章 结论与展望

6．1 结论

6．2 展望

参考文献

攻读硕士学位期间参加的科研项目及研究成果

致谢