
兵工学报 ›› 2025, Vol. 46 ›› Issue (S1): 250690-.doi: 10.12382/bgxb.2025.0690
于洋1, 陈凡秀1,*(
), 谌俊2, 刘睿3, 周近强3, 吴成成3
收稿日期:2025-07-28
上线日期:2025-11-06
通讯作者:
YU Yang1, CHEN Fanxiu1,*(
), SHEN Jun2, LIU Rui3, ZHOU Jinqiang3, WU Chengcheng3
Received:2025-07-28
Online:2025-11-06
摘要:
为探索颗粒体系致密化过程力学特性及细观机理,提出位置自动调节的测量球生成方法,建立颗粒体系单轴压缩离散元数值模型,分析了颗粒体系致密化过程位移场与速度场演化规律,研究粒径和加载速度对颗粒体系孔隙率及配位数的影响规律,分析了颗粒体系致密化过程的力链网络演化特性,揭示了颗粒体系致密化过程力学性质影响规律和细观机理。研究结果表明,颗粒体系致密化过程可以分为快速压密、缓慢压密与平稳3个阶段,较宽的粒径分布有助于提高颗粒的填充密度并加快致密化进程,致密化过程中位移场和速度场出现中心化现象;加载速度对孔隙率影响较大,速度在0.05m/s、0.5m/s、1.5m/s与3m/时,孔隙率由35.23%分别下降至27.50%、26.2%、24.4%与22.3%,提高加载速度有利于颗粒体系的压密;颗粒粒径越大,加载过程中颗粒变形越大,接触强度越大。0.8~1.5mm混合粒径组合会显著影响力链的形成方式及受力均匀性,颗粒体系致密化过程中趋于短链主导、长链收缩的稳定状态。
于洋, 陈凡秀, 谌俊, 刘睿, 周近强, 吴成成. 颗粒体系致密化过程力学特性及力链演化的数值模拟[J]. 兵工学报, 2025, 46(S1): 250690-.
YU Yang, CHEN Fanxiu, SHEN Jun, LIU Rui, ZHOU Jinqiang, WU Chengcheng. Numerical Simulation of Mechanical Properties and Force Chain Evolution of Granular System during Densification Process[J]. Acta Armamentarii, 2025, 46(S1): 250690-.
| 参数 | 数值 |
|---|---|
| 墙体法向刚度kn/(N·m-1) | 2×1012 |
| 墙体切向刚度ks /(N·m-1) | 2×1012 |
| 墙体摩擦系数μ1 | 0.25 |
| 阻尼系数 | 0.7 |
| 颗粒密度ρ/(kg·m-3) | 1190 |
| 颗粒摩擦系数μ2 | 0.25 |
| 泊松比ν | 0.3 |
| 弹性模量E/MPa | 109 |
| 颗粒粒径R/mm | 0.8~1.5 |
| 颗粒数量 | 2×104~6×104 |
表1 实验模拟参数
Table 1 Experimental simulation parameters
| 参数 | 数值 |
|---|---|
| 墙体法向刚度kn/(N·m-1) | 2×1012 |
| 墙体切向刚度ks /(N·m-1) | 2×1012 |
| 墙体摩擦系数μ1 | 0.25 |
| 阻尼系数 | 0.7 |
| 颗粒密度ρ/(kg·m-3) | 1190 |
| 颗粒摩擦系数μ2 | 0.25 |
| 泊松比ν | 0.3 |
| 弹性模量E/MPa | 109 |
| 颗粒粒径R/mm | 0.8~1.5 |
| 颗粒数量 | 2×104~6×104 |
| 加载速度/ (m·s-1) | 粒径范围/mm | |||
|---|---|---|---|---|
| 0.8~1.0 | 1.0~1.2 | 1.2~1.5 | 颗粒数量 | |
| 0.05 | 100 | 0 | 0 | 66477 |
| 0.5 | 0 | 100 | 0 | 43264 |
| 1.5 | 0 | 0 | 100 | 25796 |
| 3 | 50 | 25 | 25 | 55153 |
表2 颗粒粒径分布及数量
Table 2 Number and distribution of particle sizes %
| 加载速度/ (m·s-1) | 粒径范围/mm | |||
|---|---|---|---|---|
| 0.8~1.0 | 1.0~1.2 | 1.2~1.5 | 颗粒数量 | |
| 0.05 | 100 | 0 | 0 | 66477 |
| 0.5 | 0 | 100 | 0 | 43264 |
| 1.5 | 0 | 0 | 100 | 25796 |
| 3 | 50 | 25 | 25 | 55153 |
| 粒径范 围/mm | 加载速度/ (m·s-1) | 初始 状态 | 快速压密 阶段 | 缓慢压密 阶段 | 平稳 阶段 |
|---|---|---|---|---|---|
| 0.8~1.0 | 0.05 | 35.23 | 27.50 | 24.52 | 23.16 |
| 0.5 | 35.23 | 26.22 | 22.31 | 21.48 | |
| 1.5 | 35.23 | 24.41 | 20.82 | 18.82 | |
| 3 | 35.23 | 22.35 | 18.33 | 17.64 | |
| 1.0~1.2 | 0.05 | 35.33 | 27.50 | 24.22 | 23.16 |
| 0.5 | 35.33 | 26.82 | 23.31 | 21.95 | |
| 1.5 | 35.33 | 25.41 | 21.80 | 19.88 | |
| 3 | 35.33 | 22.35 | 19.33 | 18.59 | |
| 1.2~1.5 | 0.05 | 35.54 | 31.51 | 28.01 | 25.94 |
| 0.5 | 35.54 | 29.52 | 26.06 | 24.20 | |
| 1.5 | 35.54 | 27.02 | 22.80 | 21.70 | |
| 3 | 35.54 | 23.35 | 20.86 | 20.32 | |
| 0.8~1.5 | 0.05 | 36.51 | 27.90 | 24.74 | 24.1 |
| 0.5 | 36.51 | 26.42 | 23.55 | 22.52 | |
| 1.5 | 36.51 | 24.80 | 20.08 | 18.82 | |
| 3 | 36.51 | 22.02 | 18.02 | 16.41 |
表3 孔隙率变化情况
Table 3 Changes in porosity %
| 粒径范 围/mm | 加载速度/ (m·s-1) | 初始 状态 | 快速压密 阶段 | 缓慢压密 阶段 | 平稳 阶段 |
|---|---|---|---|---|---|
| 0.8~1.0 | 0.05 | 35.23 | 27.50 | 24.52 | 23.16 |
| 0.5 | 35.23 | 26.22 | 22.31 | 21.48 | |
| 1.5 | 35.23 | 24.41 | 20.82 | 18.82 | |
| 3 | 35.23 | 22.35 | 18.33 | 17.64 | |
| 1.0~1.2 | 0.05 | 35.33 | 27.50 | 24.22 | 23.16 |
| 0.5 | 35.33 | 26.82 | 23.31 | 21.95 | |
| 1.5 | 35.33 | 25.41 | 21.80 | 19.88 | |
| 3 | 35.33 | 22.35 | 19.33 | 18.59 | |
| 1.2~1.5 | 0.05 | 35.54 | 31.51 | 28.01 | 25.94 |
| 0.5 | 35.54 | 29.52 | 26.06 | 24.20 | |
| 1.5 | 35.54 | 27.02 | 22.80 | 21.70 | |
| 3 | 35.54 | 23.35 | 20.86 | 20.32 | |
| 0.8~1.5 | 0.05 | 36.51 | 27.90 | 24.74 | 24.1 |
| 0.5 | 36.51 | 26.42 | 23.55 | 22.52 | |
| 1.5 | 36.51 | 24.80 | 20.08 | 18.82 | |
| 3 | 36.51 | 22.02 | 18.02 | 16.41 |
| 粒径范 围/mm | 加载速度/ (m·s-1) | 初始 状态 | 快速压 密阶段 | 缓慢压 密阶段 | 平稳 阶段 |
|---|---|---|---|---|---|
| 0.8~1.0 | 0.05 | 4.78 | 6.94 | 8.12 | 8.43 |
| 0.5 | 4.78 | 6.78 | 8.05 | 8.38 | |
| 1.5 | 4.78 | 6.74 | 8.02 | 8.33 | |
| 3 | 4.78 | 6.74 | 8.03 | 8.29 | |
| 1.0~1.2 | 0.05 | 4.70 | 6.88 | 8.32 | 8.52 |
| 0.5 | 4.70 | 6.73 | 8.20 | 8.37 | |
| 1.5 | 4.70 | 6.73 | 8.03 | 8.27 | |
| 3 | 4.70 | 6.73 | 8.01 | 8.22 | |
| 1.2~1.5 | 0.05 | 4.41 | 6.45 | 8.43 | 8.59 |
| 0.5 | 4.41 | 6.71 | 8.21 | 8.44 | |
| 1.5 | 4.41 | 6.70 | 8.02 | 8.22 | |
| 3 | 4.41 | 6.68 | 8.04 | 8.15 | |
| 0.8~1.5 | 0.05 | 4.19 | 6.99 | 8.62 | 8.87 |
| 0.5 | 4.19 | 6.76 | 8.30 | 8.71 | |
| 1.5 | 4.19 | 6.75 | 8.30 | 8.62 | |
| 3 | 4.19 | 6.70 | 8.22 | 8.55 |
表4 平均配位数变化情况
Table 4 Changes in the average coordination number
| 粒径范 围/mm | 加载速度/ (m·s-1) | 初始 状态 | 快速压 密阶段 | 缓慢压 密阶段 | 平稳 阶段 |
|---|---|---|---|---|---|
| 0.8~1.0 | 0.05 | 4.78 | 6.94 | 8.12 | 8.43 |
| 0.5 | 4.78 | 6.78 | 8.05 | 8.38 | |
| 1.5 | 4.78 | 6.74 | 8.02 | 8.33 | |
| 3 | 4.78 | 6.74 | 8.03 | 8.29 | |
| 1.0~1.2 | 0.05 | 4.70 | 6.88 | 8.32 | 8.52 |
| 0.5 | 4.70 | 6.73 | 8.20 | 8.37 | |
| 1.5 | 4.70 | 6.73 | 8.03 | 8.27 | |
| 3 | 4.70 | 6.73 | 8.01 | 8.22 | |
| 1.2~1.5 | 0.05 | 4.41 | 6.45 | 8.43 | 8.59 |
| 0.5 | 4.41 | 6.71 | 8.21 | 8.44 | |
| 1.5 | 4.41 | 6.70 | 8.02 | 8.22 | |
| 3 | 4.41 | 6.68 | 8.04 | 8.15 | |
| 0.8~1.5 | 0.05 | 4.19 | 6.99 | 8.62 | 8.87 |
| 0.5 | 4.19 | 6.76 | 8.30 | 8.71 | |
| 1.5 | 4.19 | 6.75 | 8.30 | 8.62 | |
| 3 | 4.19 | 6.70 | 8.22 | 8.55 |
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