密集颗粒体-表面摩擦系统的力链演变及其控制

边界层密集颗粒体和固体表面间的接触与摩擦是磨粒流加工的关键问题。申请项目拟引入以多颗粒作用为物理载体的力链理论，通过微观颗粒、细观力链、宏观参数的耦合分析，研究密集颗粒体-表面摩擦系统中稳态力链的主要构型及其与系统参数的关系、力链随载荷变化、介质流动、表面运动而演变的过程、强力链的重构和解构过程、力链与接触、摩擦特性的关系，解决颗粒/颗粒、颗粒/表面间力的传递和关联；基于散体力学的数值方法构建密集颗粒体-表面摩擦的模型与分析方法，建立以细观尺度的力链为核心的多尺度理论框架，结合试验结果进行对比和模拟，获得重要阈值和判据。最终提出控制密集颗粒体和表面接触与摩擦的新理论和新技术，推动磨粒流表面光整技术在理论和实践上的发展。

从试验和理论两方面对密集颗粒体-表面摩擦系统的力链稳态构型及其随载荷变化、介质流动、表面运动而演变的规律进行了系统的研究。自制了双筒剪切试验装置、密集颗粒体-表面摩擦试验仪和微型旋转式磨粒流抛光装置，采用试验方法研究了颗粒体在受剪过程中的摩擦学特性以及力学和运动特性。试验结果获得了摩擦力、摩擦系数等特性随载荷、速度、表面粗糙度、颗粒摩擦系数、颗粒刚度、粒径等而变化的规律； 测试并分析了系统的振动问题，初步判断其与强力链的形成和断裂有密切关系；发现了试验过程中的边界滑移现象，并导致颗粒体形成整体滑移。运用离散单元法构建了平行板颗粒体-表面摩擦系统，研究结果认为摩擦过程存在塑性爬行阶段、脆性破坏阶段以及颗粒重组阶段三个主要阶段，其中以塑性爬行阶段其承载特性最好；低层数下颗粒流内力链整体趋于驱动力方向分布；输入变量数值变化会影响颗粒流内的剪切膨胀现象，并出现整体运动现象；载荷和颗粒层数对剪切膨胀中力链承载特性影响最大，颗粒间摩擦系数对颗粒体整体运动中力链承载特性影响最大，速度对力链承载特性的影响最小。基于非连续介质力学的离散单元法和基于连续介质力学的有限元方法建立了描述颗粒体-表面摩擦的理论分析多尺度模型，利用理论分析模型主要研究了力链的构型、形态和空间分布的特点；颗粒摩擦系数、工况、外载荷、颗粒层数等对力链构型、承载特性的影响；强、弱力链在重构和解构过程中的分布特性；力链随载荷变化、颗粒摩擦系数、剪切速度、颗粒层数而动态演变的规律；摩擦系数和剪切速度对颗粒体-表面摩擦学特性的影响；颗粒的性能参数（颗粒摩擦系数、刚度、粒径等）对剪切过程中力传递性能的影响等。通过以上的密集颗粒体-表面摩擦系统的理论和试验研究，基本上建立了以力链为核心的颗粒体-表面之间的摩擦学现象和机理的多尺度理论研究框架，初步实现了以介观尺度的力链串联微观颗粒单体和宏观摩擦学特性，以及微观、介观和宏观物理参量的有效传递和关联的研究目的，且从应用的角度分析了颗粒体-表面摩擦学特性和力链稳定性的控制方法。研究成果可以为磨粒流表面光整技术在工业中的应用和发展提供理论支持，同时基于力链的理论框架也可用于颗粒流润滑和三体磨损等研究中，对颗粒物质力学的发展亦有促进作用。