沖擊作用下顆粒介質(zhì)的動力學(xué)特性及尺度關(guān)系的理論研究

沖擊作用下顆粒介質(zhì)的動力學(xué)特性及尺度關(guān)系的理論研究顆粒介質(zhì)在外界作用下的動力學(xué)過程是顆粒動力學(xué)研究中的一個基礎(chǔ)性問題。由丁顆粒物質(zhì)典型的離散性，導(dǎo)致其在外界沖擊作用下會表現(xiàn)出豐富的動力學(xué)行為，如沖擊后通常會發(fā)生屈服，其局部化的應(yīng)變場會導(dǎo)致固體狀態(tài)和流體狀態(tài)同時存在并發(fā)生和互演化。另外，顆粒之間縻擦和非彈性碰撞具有高度的非線性，使得顆粒介質(zhì)具有獨特的耗散特征。開展顆粒介質(zhì)沖擊動力學(xué)過程及相應(yīng)的力學(xué)行為研究，能夠從機理上促使我們更加深入地理解與顆粒物質(zhì)沖擊相關(guān)的許多復(fù)雜自然現(xiàn)象,從更大的范圍上揭示沖擊物體在離散類材料中運動時的拖曳力，以及由此導(dǎo)致的材料內(nèi)部的復(fù)雜流變過程。因此，本博士論文基于離散單元模型，對二維顆粒介質(zhì)受沖擊后的動力學(xué)過程進行了系統(tǒng)的研究，主要考慮了斜沖擊下顆粒介質(zhì)的動力學(xué)過程及蘊含的標度關(guān)系,在此基礎(chǔ)上分析了顆粒旋轉(zhuǎn)對整個沖擊動力學(xué)過程及尺度關(guān)系的影響規(guī)律。最后，針對沖擊坑坍塌過程中的密集顆粒流,通過考慮顆粒介質(zhì)中應(yīng)力波動幅值的概率分布以及剪切速率與體積分數(shù)的耦合作用，提岀了一種能描述斜而剪切流動的修正的非局部流變模型。本傅士論文主要包括以下幾方而的內(nèi)容：1.建立了能夠描述顆粒介質(zhì)基本力學(xué)行為的離散動力學(xué)模型及相應(yīng)的統(tǒng)計方法,在此基礎(chǔ)上模擬了顆粒介質(zhì)在斜沖擊作用下的動力學(xué)過程,定性考慮了沖擊角度對沖擊顆粒運動軌跡形態(tài)的影響規(guī)律，并定量分析了沖擊深度、沖擊時間與初始沖擊速度之間的標度關(guān)系。通過對微觀粒子間的接觸力的統(tǒng)計分析，提出了一個能夠準確描述沖擊粒子在顆粒介質(zhì)運動過程中所受阻力的唯象模型，并對此阻力模型進行了驗證。2.考慮顆粒介質(zhì)受旋轉(zhuǎn)顆粒斜沖擊后的動力學(xué)行為，主要分析了粒子的初始角速度對其沖擊深度的影響規(guī)律，發(fā)現(xiàn)沖擊顆粒的旋轉(zhuǎn)角速度對沖擊深度的影響具有明顯的臨界性,并且此臨界角速度主要受沖擊速度和沖擊角度的影響。從而進一步給出了臨界角速度與沖擊速度和沖擊角度所滿足的定最關(guān)系。最后分析了沖擊顆粒的初始旋轉(zhuǎn)對沖擊深度與初始沖擊速度的線性標度關(guān)系的影響規(guī)律。3.分析了系統(tǒng)參數(shù)變化（沖擊顆粒與床面顆粒介質(zhì)的密度比和粒徑比）及沖擊顆粒的速度對其沖擊后運動形式的影響規(guī)律。在提bm區(qū)分沖擊顆粒三種不同運動形式判定標準的基礎(chǔ)上,給出了能表征顆粒運動形式的反彈與侵入臨界角度與沖擊速度及系統(tǒng)參數(shù)（密度比和粒徑比）的定最關(guān)系。4.基于Pouliquen提岀的非局部流變模型，考慮顆粒介質(zhì)中某個位置的重新排列引起的應(yīng)力波動使得其它位置處顆粒的運動,在這個理論框架內(nèi)改進了顆粒介質(zhì)中應(yīng)力波動幅值的概率密度分布的具體形式,同時通過考慮剪切速率與應(yīng)力分布的積分關(guān)系在迭代計算中剪切速率與體積分數(shù)的耦合作用,提出了一種修正的非局部流變模型。應(yīng)用此修正的非局部流變模型對斜面剪切顆粒流的流動特性進行預(yù)測，得到的顆粒流動的臨界厚度、半均流動速度及剪切速率廓線等與原有的非局部流變模型預(yù)測結(jié)果相比，均與實驗結(jié)果更加吻合。此修正模型的提出為更加復(fù)雜的密集顆粒流的描述和表征提供了一種新的研究思路?？傊?通過對顆粒介質(zhì)受斜沖擊后的動力過程的模擬、對其蘊含的標度律的分析以及對坍塌過程中斜面顆粒流流變模型的修正，本文建立了一套能夠描述顆粒介質(zhì)動力學(xué)過程的理論模型及統(tǒng)計方法。這方而的研究不僅能揭示和分析顆粒介質(zhì)受沖擊后的復(fù)雜動力學(xué)過程，同時也能為研究與顆粒介質(zhì)沖擊相關(guān)的基礎(chǔ)性問題提供重要的理論依據(jù)