沖擊載荷下脆性顆粒材料多尺度變形破碎特性研究.pdf

1、顆粒材料如砂土、粉末等在自然界和日常生活中隨處可見，也是地球上除水以外使用最廣泛的工程材料。顆粒材料的靜態(tài)堆積行為、流變力學等已被廣泛研究，力鏈、阻塞相變、振蕩斑紋等奇異性質也陸續(xù)被發(fā)掘。相比之下，顆粒材料在沖擊載荷下的微細觀變形行為和破碎特性研究還頗為不足，這限制了諸多工程科學學科體系的圓滿建立和發(fā)展，如土木工程、粉末技術（冶金、醫(yī)藥）、防護工程等;同時，一些世界矚目的科學問題如月球表面成坑、地震、泥石流等也與其息息相關。
　　

2、顆粒材料是一個多尺度復雜體系，包括宏觀尺度的顆粒堆積體，細觀尺度的顆粒，以及微觀尺度的晶粒和缺陷（如微裂紋、孔洞等）。本文從宏觀細觀微觀三個尺度對顆粒材料沖擊加載下的力學行為和顆粒破碎特性進行系統(tǒng)研究。模擬上，我們基于離散元方法構建了顆粒材料的多尺度模型并應用于沖擊加載過程模擬，實際顆粒采用團簇來模擬，顆粒破碎即為解簇。通過選擇合適的球體剛度、鍵接強度和局部阻尼水平，多尺度模型能半定量地模擬實際顆粒材料的沖擊力學性能，如屈服應力、對數(shù)線

3、性等。同時，我們探討了兩個重要的模型參數(shù)即局部阻尼系數(shù)和摩擦系數(shù)對多尺度模型沖擊力學響應的影響。多尺度模型在解釋實驗現(xiàn)象背后的深層機理上發(fā)揮了重要作用。實驗上，我們系統(tǒng)研究了多種顆粒材料（石英砂，SiC陶瓷粉末，玻璃珠，單晶糖顆粒等）在準靜態(tài)和沖擊壓縮下的多尺度變形行為與顆粒破碎特性。首先利用材料試驗機MTS810和分離式霍普金森壓桿測量了顆粒材料在寬應變范圍加載下的應力應變曲線。另外，利用激光粒度分析儀Mastersizer2000對

4、加載之后的樣品進行粒度分析，并借助Einav破碎指標定量描述了顆粒破碎隨應力、應變率、顆粒尺寸和級配等因素的演化過程。而為了全面分析顆粒材料微細觀變形和顆粒破碎過程，我們將霍普金森壓桿和超快原位X射線相襯成像技術相結合，利用高速攝影記錄了顆粒材料的動態(tài)壓縮過程，通過數(shù)字圖像相關方法對相襯圖像進行后處理得到了顆粒材料的動態(tài)應變場。微觀尺度上，我們利用MTS結合高速攝影研究了準靜態(tài)壓縮下玻璃珠破碎強度的尺寸效應;利用同時X射線相襯成像和衍射

5、研究了單晶硅的沖擊壓縮破碎過程，討論了晶體變形和破碎模式的各向異性;利用氣炮研究了高應變率一維應變加載下有機玻璃的沖擊壓縮破壞模式，通過測量沖擊波后的變形場澄清了破壞波形成的微觀物理機理。
　　多尺度的實驗測量和模擬結果使我們對顆粒材料在沖擊載荷下的變形機理包括應變率效應、顆粒尺寸和級配效應，顆粒破碎模式以及沖擊損傷破壞機理形成了全面而深入的認識。宏觀應力應變曲線表明顆粒材料具有明顯的應變率效應，即相同應變水平下沖擊加載時材料內部

6、應力要高于準靜態(tài)加載時;而顆粒破碎分析顯示相同應力水平下沖擊加載時的顆粒破碎量低于準靜態(tài)加載時，這解釋了宏觀壓縮曲線的應變率效應，因為顆粒破碎是顆粒材料屈服后的主要變形模式。而離散元模擬揭示出沖擊加載下單個顆粒破碎產(chǎn)生的碎片更多相應的摩擦耗散更大，這導致沖擊加載時顆粒破碎的能量效率更低，進而使得顆粒破碎量也更低。這是顆粒材料應變率效應的根本原因。顆粒尺寸和級配對顆粒材料的影響可以歸結到單個顆粒強度和顆粒配位數(shù)的競爭。顆粒最大尺寸相近的情

7、況下，顆粒材料級配越好，顆粒破碎量越少，顆粒材料壓縮變形和能量吸收也越小;顆粒級配相近，顆粒尺寸越大，顆粒破碎量越大，材料變形和和能量吸收也越多。顆粒材料在宏觀上可視作均勻體，但其細觀應變場卻表現(xiàn)出極強的非均勻性，并且其統(tǒng)計分布與光彈方法測得的接觸力統(tǒng)計分布形式相似，大應變區(qū)都遵循同樣的指數(shù)衰減規(guī)律，說明顆粒材料細觀變形不均勻性是顆粒間接觸力不均勻傳播導致的。而粒間摩擦會導致顆粒破碎的非單調增長現(xiàn)象，其本質原因是摩擦系數(shù)導致顆粒材料內部

8、接觸應力分布發(fā)生轉變進而造成破碎模式的轉變。準靜態(tài)壓縮下顆粒的破碎強度具有強烈分散性，但符合Weibull分布，而且不同尺寸顆粒的平均破碎強度符合Weibull尺度率。顆粒的沖擊破壞模式與準靜態(tài)下的截然不同，沖擊加載下會有大量雁形裂紋沿著主裂紋的方向擴展，而且初始缺陷的隨機成核、擴展和貫通會導致材料的災難式破壞。此外，一維應變沖擊壓縮會誘導破壞波的產(chǎn)生，使材料發(fā)生粉碎性破壞，其微觀機理是壓縮誘導的拉伸和剪切變形集中。本文所采用的研究方法