基于G^(2)值法的二维光弹颗粒体系力链研究

摘要

力链是颗粒体系研究中的重要概念,是微观现象的集中体现,对宏观颗粒物质体系起着重要作用。采用光弹方法对受竖向荷载作用的混合直径颗粒体系进行加压实验,结合数字图像处理技术和G^(2)值法(彩色梯度均方值算法),分析了颗粒体系在竖向荷载作用下几何结构的变化以及接触力、力链网络的分布情况。首先通过数字图像处理技术统计出颗粒体系在不同竖向荷载作用下的接触向量角度分布情况,发现其集中分布区间只是在区间分布频率上出现小幅波动,竖向荷载的增大并不会对整体分布产生影响。然后通过G^(2)值法求出了颗粒体系的G^(2)值,并对单个颗粒的G^(2)值和平均接触力F的关系进行了拟合,结果表明,光弹颗粒的G^(2)值随着F的增大而增大,接触点少的颗粒G^(2)值反而偏大。接着通过拟合公式计算出单个颗粒的接触力,根据其与平均接触力的比值频率统计结果画出接触力频率分布曲线,从曲线结果来看,竖向荷载的增大能够让颗粒体系中直径较小的颗粒接触力更加接近平均接触力,分布更加统一;直径较大的颗粒能够支撑起更多的荷载并接触到更多其他的颗粒,承受更大的接触力。最后根据接触力的分布情况判定出强弱力链并画出力链网络,结果表明,竖向荷载的增大在一定范围内会让强力链的分布趋于统一,强力链上的颗粒排列更加紧凑,随着荷载不断增大,强力链上的颗粒数目变少且更易断裂解体成单颗粒分布,进而加剧颗粒的重排性质。