细观结构和含水率影响下颗粒材料波传播行为研究及机理分析

Granular materials consist of a large number of solid particles and pores, which are widely found in nature and used in various industries. Their mechanical properties are complex and closely related to natural disasters and human production and life. This project focuses on the mechanism of the influence of mesostructure and water content on the wave propagation behaviors in granular materials. Firstly, the characterization of mesostructure considering the non-uniformity of physical properties of granular materials is developed to study the nonlinear dynamic response such as attenuation of mesostructure in wave propagation, dispersion and energy dissipation, focusing on the evolution of wavefront shape under different mesostructures and boundary effects such as reflection and absorption. Based on the above research, the influence of water content on the wave propagation behavior of granular materials under different mesostructures is further investigated. Considering the coupling between mesostructure and water, as well as the mechanism of influence on energy transferthe, topological evolution of the contact network in the granular material is revealed. The research results will provide a basis for the design of granular crystal metamaterials with functions such as sound absorption and energy absorption and shock load protection.

颗粒材料由大量固体颗粒及孔隙组成，广泛存在于自然界且应用于各个行业，其力学性质复杂，与自然灾害及人类生产生活密切相关。本项目主要关注细观结构和含水率对颗粒材料中波传播行为的影响机理，首先发展考虑颗粒材料物理性质非均匀性的细观结构表征方案，研究应力波通过特定细观结构时的衰减、色散、能量耗散等非线性动力响应；重点考虑不同细观结构影响下波前形状的演化方式以及反射、吸收等边界效应，分析波前通过不同细观结构后的变化情况和边界条件对波传播行为的影响机理。基于以上研究，进一步调查不同细观结构中含水率对颗粒材料波传播行为的影响，考虑细观结构和含水率的共同作用，揭示含水率对颗粒材料内部接触网络的拓扑结构演化和能量传递过程的影响机理。研究结果将为隔音、减震、冲击防护等颗粒晶体类超材料的设计提供依据。

颗粒材料由大量固体颗粒及孔隙组成，广泛存在于自然界且应用于各个行业，其力学性质复杂，与自然灾害及人类生产生活密切相关。本研究主要关注细观结构和含水率对颗粒材料波传播行为的影响机理，考虑不同细观结构影响下波前形状的演化方式以及反射吸收等边界效应，分析波前通过不同细观结构后的变化情况和边界条件对波传播行为的影响机理。从宏观和介观两个方面讨论了随机分布的离散颗粒材料在不同循环载荷条件下的力学响应。局部应变随循环载荷的变化反映了颗粒位移对细观结构演化的贡献。在恒定围压条件下的颗粒位置调整更为明显，有利于拓扑结构的改善。给出了临边界区域的定义，考虑了不同边界形状对应力波在临边界区域内传播行为的影响。经边界反射后的应力波直接以边界形状在临边界区内传播，该结论在边界情况越复杂时，越准确；临边界区域外的波前形状主要由波速决定。弧形边界对波反射的汇聚作用和临边界区域内颗粒的排列方式是两个竞争因素，共同决定临边界区域内波的反射过程。通过将毛细管桥力引入离散元法，研究了两个由毛细管桥相连的粒子相互作用引起的振动和单尺寸珠串中的波传播，揭示含水率对颗粒材料内部接触网络的拓扑结构演化和能量传递过程的影响机理。此外基于离散单元方法研究了横观各向同性脆性材料的损伤演化，揭示了材料破坏的本质和宏细观破坏机制的演化过程；得到了不同层理角的脆性材料的多项力学性能和破坏模式，以及材料内部微裂缝的传播路径。将微形态连续体理论引入到多尺度分析方法，初步探究基于微形态理论的颗粒材料多尺度解析与计算模型，其优势在于能为更多细观结构信息的均匀化提供足够对应衔接的宏观连续物理量。以上研究工作揭示了颗粒材料中波的传播特性以及材料破坏的细观机理，同时揭示了细观结构对颗粒材料应变局部化的影响机制，将为颗粒材料的工程应用提供理论指导。