基于接触价键的颗粒材料微观临界状态

用颗粒离散元法,分别对二维圆形、椭圆形颗粒体进行了双轴压缩数值模拟。微观尺度的变形是基于孔隙胞元和其中的变形来计算的,而单个孔隙胞元的变形通过周围颗粒的相对运动来计算。针对该方法提出了以接触价键(每个孔隙胞元的边数)来表征颗粒材料微观临界状态的理论。为了定义临界接触价键的极限值,分别讨论了摩擦系数较大、较小时的两种情况。文中给出了微观几何织构(包括接触价键、孔隙胞元的形状、孔隙比)随压缩变形的演变过程,比较了不同颗粒形状、颗粒间摩擦系数以及颗粒体的固结压力对颗粒体的微观力学性能的影响。计算结果表明,颗粒材料的微观临界状态并不是可以唯一表征的,而是受围压、摩擦系数,颗粒形状等参数的共同影响。

颗粒材料的微观临界状态理论模型

存在临界状态是颗粒材料的一个重要特性。基于孔隙胞元的颗粒离散元方法对二维颗粒体进行双轴加载数值试验,在详细分析数值模拟结果的基础上,从微观几何组构的角度揭示了临界状态的存在机制。基于剪胀性原理,提出了以接触价键表征的微观临界状态理论模型,得到了接触价键与塑性剪切应变的关系表达式,理论模型的结果和二维离散元数值模拟得到的结果吻合较好。通过比较不同情况下数值结果和理论模型中的参数,得到以下结论:表征微观临界状态的参数(临界接触价键和达到临界状态所需要的塑性剪切应变)依赖于颗粒体的微观特性,如颗粒形状、表面摩擦性质、颗粒体的围压和初始孔隙比。