本文關(guān)鍵詞：基于介觀結(jié)構(gòu)及介—宏觀均勻化方法的顆粒材料力學行為研究

  更多相關(guān)文章： 顆粒材料 離散顆粒集合體 介觀結(jié)構(gòu) 介-宏觀均勻化方法 本構(gòu)關(guān)系 各向異性損傷 愈合 耗散能演變 液橋 有效應(yīng)力

【摘要】：由大量不同形狀、尺寸的離散固體顆粒及孔隙組成的顆粒材料廣泛存在于自然界中,如土體、土石混合體、地質(zhì)體等。顆粒材料的離散特征使其力學行為本質(zhì)上依賴于其介觀結(jié)構(gòu),同時表現(xiàn)出高度非線性及耗散性。當前,研究者及工程師主要采用連續(xù)體模型、離散顆粒模型或兩者結(jié)合的多尺度模型模擬顆粒材料復(fù)雜的力學行為。盡管基于離散顆粒模型的離散元法已被普遍認為是研究顆粒材料力學行為的有效方法之一,但如果僅將關(guān)注點局限于細觀尺度上兩個典型顆粒的接觸本構(gòu)關(guān)系或僅在宏觀尺度上利用離散元法分析大量離散顆粒構(gòu)成的顆粒材料結(jié)構(gòu)的整體力學行為,則不能有效的揭示顆粒材料連續(xù)體模型下宏觀破壞現(xiàn)象的介觀機理。因此,需要建立描述顆粒材料介觀結(jié)構(gòu)的力學模型。損傷因子、等價塑性應(yīng)變等描述顆粒材料連續(xù)體模型中材料損傷、(?)性力學行為的內(nèi)狀態(tài)變量,是工程師度量顆粒材料結(jié)構(gòu)中材料破壞程度的重要指標。但在(?)觀連續(xù)體模型中,其值依賴于唯象假定的損傷、塑性判定準則及演化率,同時不能反映材料損傷、塑性破壞過程中介觀結(jié)構(gòu)的演變。盡管離散元分析可以追蹤顆粒間接觸脫離、力鏈斷裂、塑性滑移等介觀結(jié)構(gòu)演化信息,但不能給出損傷因子、等價塑性應(yīng)變等工程師熟悉的連續(xù)體內(nèi)狀態(tài)變量。因此,需要建立基于顆粒材料離散介觀結(jié)構(gòu)及其演變的宏觀等價連續(xù)體力學模型,研究和揭示其連續(xù)體模型下宏觀破壞現(xiàn)象的介觀機理。綜上所述,針對干顆粒材料,本學位論文第一部分提出了描述顆粒材料介觀結(jié)構(gòu)的Voronoi胞元模型;基于介觀結(jié)構(gòu)及其演變,建立了顆粒材料等價Cosserat連續(xù)體各向異性本構(gòu)關(guān)系,并以此為基礎(chǔ)提出了顆粒材料等價Cosserat連續(xù)體損傷-愈合-塑性力學行為的表征方法。所提出的Voronoi胞元模型不僅包含Voronoi單胞內(nèi)的參考顆粒,而且包括Voronoi單胞邊界外參考顆粒的直接相鄰顆粒。與經(jīng)典Cosserat連續(xù)體各向同性本構(gòu)關(guān)系中Cauchy應(yīng)力僅與應(yīng)變有關(guān)、偶應(yīng)力僅與微曲率有關(guān)不同,所提出的等價Cosserat連續(xù)體各向異性本構(gòu)關(guān)系中Cauchy應(yīng)力、偶應(yīng)力分別同時與應(yīng)變及微曲率有關(guān),可以定量地反映材料本身具有的或變形引起介觀結(jié)構(gòu)演化導(dǎo)致的各向異性特征。針對均勻化理論框架下各向同性介觀結(jié)構(gòu)對應(yīng)的各向同性等價Cosserat連續(xù)體,所提出的顆粒材料等價Cosserat連續(xù)體各向異性本構(gòu)關(guān)系將退化為經(jīng)典的各向同性Cosserat連續(xù)體本構(gòu)關(guān)系,驗證了其退化情況的合理性,同時得到了經(jīng)典各向同性Cosserat連續(xù)體本構(gòu)模量參數(shù)(如特征長度、彈性模量等)的介觀表達式。無需唯象假定材料的損傷、愈合、塑性判定準則及演化率,提出了顆粒材料等價Cosserat連續(xù)體損傷-愈合-塑性表征方法,揭示了顆粒材料損傷、愈合、塑性宏觀現(xiàn)象的介觀機理。引入非正交主損傷坐標系,導(dǎo)出了顆粒材料等價Cosserat連續(xù)體各向異性損傷-愈合因子張量的主損傷因子及主損傷方向。建立了等溫條件下描述顆粒材料損傷-愈合及塑性過程的熱力學框架,定義了表征顆粒材料塑性耗散的有效塑性應(yīng)變內(nèi)變量。根據(jù)描述材料損傷-愈合過程的凈損傷耗散能密度增量的非負性提出了材料損傷、愈合判定準則,并由此定義了描述顆粒材料各向異性損傷、愈合力學行為的損傷、愈合內(nèi)變量及表征損傷-愈合耦合效應(yīng)的凈損傷變量。數(shù)值結(jié)果表明提出的塑性、損傷耗散能密度及愈合能密度為定量表征及比較塑性、損傷、愈合過程對材料破壞的影響提供了途徑;驗證了提出的凈損傷、損傷、愈合內(nèi)變量定義的有效性及愈合內(nèi)變量在模擬對材料初始缺陷(未損傷)的愈合力學行為時的有效性;同時表明提出的表征方法可以捕捉顆粒材料結(jié)構(gòu)以軟化和應(yīng)變局部化為特征的破壞過程中萌發(fā)破壞的局部材料點位置及應(yīng)變局部化區(qū)域(剪切帶)的發(fā)展方向。近年來,滑坡、泥石流等自然災(zāi)害頻發(fā)。要探索干化到濕化發(fā)展過程導(dǎo)致的顆粒材料結(jié)構(gòu)宏觀破壞現(xiàn)象的成因,需要研究與其相關(guān)聯(lián)的水力-力學耦合作用的介觀機理。同時,控制非飽和多孔介質(zhì)固體骨架力學行為的有效應(yīng)力是研究者及工程師關(guān)注的熱點問題,但對于基于宏觀唯象模型提出的非飽和多孔介質(zhì)有效應(yīng)力定義,目前仍有爭議。因此,針對孔隙液體以雙聯(lián)模式液橋存在的低飽和度非飽和顆粒材料,本學位論文第二部分發(fā)展了雙聯(lián)模式液橋計算模型與計及顆粒間液橋效應(yīng)的非飽和離散元模型,導(dǎo)出了低飽和度非飽和顆粒材料等價非飽和Cosserat連續(xù)體有效應(yīng)力、有效壓力張量的介觀表征。在含液離散元法框架下以顆粒間距及液橋液體體積為已知量,提出了確定二維雙聯(lián)模式液橋幾何構(gòu)形與液橋力的算法。討論了液橋臨界斷裂距離與顆粒半徑的關(guān)系,導(dǎo)出了以顆粒半徑、三相接觸角、液橋液體體積表示的液橋臨界斷裂距離擬合公式。分析了兩直接相鄰接觸或非接觸顆粒間毛細液橋力隨液橋液體體積及顆粒間距的變化關(guān)系。利用所發(fā)展的非飽和離散元模型模擬非飽和顆粒材料的吸力效應(yīng),數(shù)值算例驗證了其有效捕捉非飽和離散顆粒集合體以應(yīng)變局部化為特征的破壞模式的能力。建立了描述低飽和度非飽和顆粒材料由固體顆粒及非混孔隙液體、孔隙氣體三相構(gòu)成的、具有離散和介觀結(jié)構(gòu)各向異性特征的非飽和Voronoi胞元模型。導(dǎo)出了以介觀結(jié)構(gòu)及介觀水力-力學信息表示的非飽和顆粒材料等價非飽和Cosserat連續(xù)體的有效應(yīng)力、有效壓力張量,而無需引進唯象假定的非飽和多孔介質(zhì)水力-力學本構(gòu)模型。對于均勻化理論框架下各向同性非飽和介觀結(jié)構(gòu)對應(yīng)的各向同性等價非飽和Cosserat連續(xù)體,導(dǎo)出了與宏觀非飽和多孔連續(xù)體理論唯象假定相同形式的、標量形式的有效壓力,同時得到了非唯象假定的、以孔隙液體飽和度、孔隙度、介觀結(jié)構(gòu)參數(shù)表示的Bishop參數(shù)。最后,為了論文的完整性和陳述清晰,針對與論文內(nèi)容相關(guān)的Cosserat連續(xù)體基本理論、離散元法、液橋基本理論及非飽和多孔介質(zhì)的有效應(yīng)力做了簡要概述;針對所發(fā)展的離散元分析程序,給出了程序模塊說明、數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)及流程圖。
【學位授予單位】：大連理工大學
【學位級別】：博士
【學位授予年份】：2017
【分類號】：TB301
，

本文編號：1267871