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(xué)等已被廣泛研究，力鏈、阻塞相變、振蕩斑紋等奇異性質(zhì)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(xì)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(xué)學(xué)科體系的圓滿建立和發(fā)展，如土木工程、粉末技術(shù)（冶金、醫(yī)藥）、防護(hù)工程等;同時(shí)，一些世界矚目的科學(xué)問題如月球表面成坑、地震、泥石流等也與其息息相關(guān)。
　　

2、顆粒材料是一個(gè)多尺度復(fù)雜體系，包括宏觀尺度的顆粒堆積體，細(xì)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(xì)觀微觀三個(gè)尺度對顆粒材料沖擊加載下的力學(xué)行為和顆粒破碎特性進(jìn)行系統(tǒng)研究。模擬上，我們基于離散元方法構(gòu)建了顆粒材料的多尺度模型并應(yīng)用于沖擊加載過程模擬，實(shí)際顆粒采用團(tuán)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(qiáng)度和局部阻尼水平，多尺度模型能半定量地模擬實(shí)際顆粒材料的沖擊力學(xué)性能，如屈服應(yīng)力、對數(shù)線

3、性等。同時(shí)，我們探討了兩個(gè)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(xué)響應(yīng)的影響。多尺度模型在解釋實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象背后的深層機(jī)理上發(fā)揮了重要作用。實(shí)驗(yàn)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(zhǔn)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(yàn)機(jī)MTS810和分離式霍普金森壓桿測量了顆粒材料在寬應(yīng)變范圍加載下的應(yīng)力應(yīng)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(jìn)行粒度分析，并借助Einav破碎指標(biāo)定量描述了顆粒破碎隨應(yīng)力、應(yīng)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(xì)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(shù)相結(jié)合，利用高速攝影記錄了顆粒材料的動(dòng)態(tài)壓縮過程，通過數(shù)字圖像相關(guān)方法對相襯圖像進(jìn)行后處理得到了顆粒材料的動(dòng)態(tài)應(yīng)變場。微觀尺度上，我們利用MTS結(jié)合高速攝影研究了準(zhǔn)靜態(tài)壓縮下玻璃珠破碎強(qiáng)度的尺寸效應(yīng);利用同時(shí)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(yīng)變率一維應(yīng)變加載下有機(jī)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(jī)理。
　　多尺度的實(shí)驗(yàn)測量和模擬結(jié)果使我們對顆粒材料在沖擊載荷下的變形機(jī)理包括應(yīng)變率效應(yīng)、顆粒尺寸和級配效應(yīng)，顆粒破碎模式以及沖擊損傷破壞機(jī)理形成了全面而深入的認(rèn)識。宏觀應(yīng)力應(yīng)變曲線表明顆粒材料具有明顯的應(yīng)變率效應(yīng)，即相同應(yīng)變水平下沖擊加載時(shí)材料內(nèi)部

6、應(yīng)力要高于準(zhǔn)靜態(tài)加載時(shí);而顆粒破碎分析顯示相同應(yīng)力水平下沖擊加載時(shí)的顆粒破碎量低于準(zhǔn)靜態(tài)加載時(shí)，這解釋了宏觀壓縮曲線的應(yīng)變率效應(yīng)，因?yàn)轭w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(gè)顆粒破碎產(chǎn)生的碎片更多相應(yīng)的摩擦耗散更大，這導(dǎo)致沖擊加載時(shí)顆粒破碎的能量效率更低，進(jìn)而使得顆粒破碎量也更低。這是顆粒材料應(yīng)變率效應(yīng)的根本原因。顆粒尺寸和級配對顆粒材料的影響可以歸結(jié)到單個(gè)顆粒強(qiáng)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(xì)觀應(yīng)變場卻表現(xiàn)出極強(qiáng)的非均勻性，并且其統(tǒng)計(jì)分布與光彈方法測得的接觸力統(tǒng)計(jì)分布形式相似，大應(yīng)變區(qū)都遵循同樣的指數(shù)衰減規(guī)律，說明顆粒材料細(xì)觀變形不均勻性是顆粒間接觸力不均勻傳播導(dǎo)致的。而粒間摩擦?xí)?dǎo)致顆粒破碎的非單調(diào)增長現(xiàn)象，其本質(zhì)原因是摩擦系數(shù)導(dǎo)致顆粒材料內(nèi)部

8、接觸應(yīng)力分布發(fā)生轉(zhuǎn)變進(jìn)而造成破碎模式的轉(zhuǎn)變。準(zhǔn)靜態(tài)壓縮下顆粒的破碎強(qiáng)度具有強(qiáng)烈分散性，但符合Weibull分布，而且不同尺寸顆粒的平均破碎強(qiáng)度符合Weibull尺度率。顆粒的沖擊破壞模式與準(zhǔn)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(kuò)展，而且初始缺陷的隨機(jī)成核、擴(kuò)展和貫通會導(dǎo)致材料的災(zāi)難式破壞。此外，一維應(yīng)變沖擊壓縮會誘導(dǎo)破壞波的產(chǎn)生，使材料發(fā)生粉碎性破壞，其微觀機(jī)理是壓縮誘導(dǎo)的拉伸和剪切變形集中。本文所采用的研究方法