基本介紹
內容簡介,目錄,文章節選,
內容簡介
《顆粒物質力學導論》以力鏈為主線，介紹了顆粒接觸理論及簡化模型、力鏈結構及實驗檢測技術和顆粒離散元等，初步構建了以力鏈為核心的多尺度研究架構。顆粒物質是大量離散的固體顆粒相互作用而組成的複雜體系，具有多物理機制和多尺度結構層次的特點，許多現象不能用一般的力學和凝聚態物理很好的解釋，是物理和力學的前沿領域。對顆粒物質體系平衡和運動規律及其套用的研究逐漸成為一門科學——顆粒物質力學。在顆粒體系內部，顆粒相互接觸形成諸多強度迥異的力鏈，力鏈連線成網路，其複雜的動力學回響決定顆粒體系巨觀力學性能。
本書可供物理、力學、水利、土建和化工等領域從事顆粒物質體系和顆粒流體系統等研究的科研人員以及高等院校相關專業的研究生和高年級本科生參考。
目錄
前言
第1章 顆粒物質
1.1 簡介
1.2 靜力學現象
1.2.1 庫侖摩擦定律
1.2.2 糧倉效應
1.2.3 有效應力原理
1.3 動力學現象
1.3.1 顆粒流
1.3.2 振動對流現象
1.3.3 擠壓膨脹
1.4 顆粒物質力學
1.5 研究方法
參考文獻
第2章 球形顆粒接觸力學
2.1 無黏連球形顆粒接觸力
2.1.1 法向力（Hertz理論）
2.1.2 切向力（Mindlin—Deresiewicz理論）
2.2 黏連球形顆粒接觸力
2.2.1 Bradley理論和DMT理論
2.2.2 JKR理論
2.2.3 Maugis—Dugdale理論
2.2.4 Thornton理論
參考文獻
第3章 軟球模型和硬球模型
3.1 軟球模型
3.1.1 接觸力計算
3.1.2 彈性係數的確定
3.1.3 阻尼係數的確定
3.2 硬球模型
3.2.1 一維碰撞
3.2.2 三維碰撞
3.2.3 法向恢復係數
3.2.4 切向恢復係數
3.3 模型對比
參考文獻
第4章 濕顆粒液橋力
4.1 顆粒間隙液體分布
4.2 靜態液橋力
4.2.1 極限液橋距離
4.2.2 濕顆粒群中靜態液橋力
4.3 動態液橋力
4.3.1 牛頓流體法向擠壓力
4.3.2 冪律流體法向擠壓力
4.3.3 牛頓流體切向阻力
4.3.4 冪律流體切向阻力
4.4 液橋力與乾顆粒接觸力
參考文獻
第5章 顆粒離散元方法
5.1 顆粒接觸的搜尋
5.2 基於硬球模型的離散元方法
5.3 基於軟球模型的離散元方法
5.3.1 動態鬆弛法
5.3.2 瑞利阻尼
5.3.3 差分方法
5.3.4 靜力問題的實現
5.3.5 動力問題的實現
5.3.6 時間步長的確定
5.4 需要說明的問題
參考文獻
第6章 力鏈
6.1 力鏈的形成
6.2 接觸力的檢測
6.2.1 光彈性應力分析法
6.2.2 壓痕法
6.2.3 電子天平稱重法
6.2.4 離散元方法
6.3 基於力鏈的顆粒體系接觸應力
6.4 基於力鏈的顆粒體系摩擦係數
6.5 基於力鏈的顆粒體系恢復係數
6.6 力鏈的實驗檢測
6.7 顆粒體系中的多尺度結構
6.8 顆粒體系中的特徵時間
6.9 以力鏈為核心的多尺度力學
參考文獻
第7章 顆粒流
7.1 簡介
7.2 體積恆定的顆粒流
7.3 應力恆定的顆粒流
7.4 密集顆粒流模型
7.5 土石流
7.6 需要說明的幾個問題
參考文獻
第8章 沙粒躍移運動的模擬
8.1 簡介
8.2 沙粒的基本運動形式
8.2.1 躍移運動
8.2.2 蠕移運動
8.2.3 懸移運動
8.3 沙床生成
8.4 沙粒起跳
8.5 沙粒起跳速度分布
參考文獻
第9章 風成沙紋的模擬
9.1 機理研究
9.2 隨機模擬
9.3 流體力學模型
9.4 顆粒離散元模擬
9.5 沙漠上的風速分布
9.5.1 顆粒沒有運動時的風速分布
9.5.2 顆粒運動時的風速分布
9.6 沙粒的起動規律
9.6.1 粗顆粒的起動
9.6.2 細顆粒的起動
9.7 沙紋形態分析
9.7.1 沙紋的基本形態
9.7.2 沙紋的成因
9.8 沙紋形態的隨機模擬
9.8.1 參數的確定
9.8.2 蠕移過程的模擬
9.8.3 沙紋達到穩定形態的分析
9.8.4 沙紋的演進過程
9.8.5 風速和粒徑的影響
參考文獻
第10章 堆石體中的接觸力分布
10.1 簡介
10.2 堆石料的靜動力學特性
10.3 堆石料級配
10.4 堆石壩模型
10.5 堆石體中的力鏈網路
10.6 堆石體中的力分布
10.7 堆石體中的力傳播
參考文獻
附錄A 顆粒接觸運動分析
附錄B 顆粒接觸能量耗散分析
參考文獻
附錄C 常用符號表
文章節選
第1章 顆粒物質
1.1 簡介
顆粒物質是指大量固體顆粒間相互作用組成的複雜體系，該體系中顆粒粒徑大於1μm，如果顆粒問有填隙液體，則液體黏性較低且飽和度小於1。顆粒以強耗散的接觸摩擦為主，其熱運動和流體作用忽略不計。顆粒物質廣泛存在於自然界，與人類日常生活生產密切相關，比如自然界中沙石、土壤、浮冰、積雪等，日常生活中的糧食、糖、鹽等，工業生產中的煤炭礦石、藥品、化工產品等，可以說顆粒物質是地球上存在最多、最與人們密不可分的物質類型之一。
人們對顆粒物質生產、儲存和輸送等的研究已經有悠久的歷史，但是處理和控制顆粒物質的技術遠沒有像處理流體那樣得到系統發展，一些關鍵技術尚不成熟，工業生產中約10%的能源因此而被浪費；與此同時，土石流、山體滑坡和雪崩等自然災害日益威脅著人民生命和財產安全，見圖1—1所示的巨型滑坡。顯然，加強顆粒物質的研究有利於提高顆粒物質的加工技術、節約能源、促進經濟發展，增進對自然災害的形成、演進和致災機理的認知能力和預報調控水平，具有重要的套用價值。
顆粒物質的研究可以追溯到1773年，法國物理學家庫侖(Coulomb，1736～1806)研究土力學時提出了固體摩擦定律，到現在已經有200多年的歷史，但是顆粒物質的研究一直散見於工程套用領域，比如散體力學和土力學，它們主要研究顆粒物質構成的地基承載能力、自重和外力作用下邊坡的穩定性、對料倉壁的作用、土壤對擋土牆的作用、碎礦石的運動規律以及貯料塔放出物料時的受力狀況和物料的運動規律、土應力分析、非飽和土中孔隙水的影響等一系列工程問題，普遍採用流體力學、彈塑性理論進行顆粒體系巨觀力學行為的分析。
但是，顆粒物質體系很多基礎力學問題並沒有解決，現有散體力學和土力學的理論框架建立體積微元應力一應變本構關係基礎上，無法細緻考慮顆粒幾何形狀、物理特性、顆粒級配，以及填隙液體與顆粒耦合等細節，因此從工程套用角度出發，不得不引入一些唯象參數對簡化的本構關係進行修正，雖然易於數值計算，但不利於解釋內在物理機制。
1.1 簡介
顆粒物質是指大量固體顆粒間相互作用組成的複雜體系，該體系中顆粒粒徑大於1μm，如果顆粒問有填隙液體，則液體黏性較低且飽和度小於1。顆粒以強耗散的接觸摩擦為主，其熱運動和流體作用忽略不計。顆粒物質廣泛存在於自然界，與人類日常生活生產密切相關，比如自然界中沙石、土壤、浮冰、積雪等，日常生活中的糧食、糖、鹽等，工業生產中的煤炭礦石、藥品、化工產品等，可以說顆粒物質是地球上存在最多、最與人們密不可分的物質類型之一。
人們對顆粒物質生產、儲存和輸送等的研究已經有悠久的歷史，但是處理和控制顆粒物質的技術遠沒有像處理流體那樣得到系統發展，一些關鍵技術尚不成熟，工業生產中約10%的能源因此而被浪費；與此同時，土石流、山體滑坡和雪崩等自然災害日益威脅著人民生命和財產安全，見圖1—1所示的巨型滑坡。顯然，加強顆粒物質的研究有利於提高顆粒物質的加工技術、節約能源、促進經濟發展，增進對自然災害的形成、演進和致災機理的認知能力和預報調控水平，具有重要的套用價值。
顆粒物質的研究可以追溯到1773年，法國物理學家庫侖(Coulomb，1736～1806)研究土力學時提出了固體摩擦定律，到現在已經有200多年的歷史，但是顆粒物質的研究一直散見於工程套用領域，比如散體力學和土力學，它們主要研究顆粒物質構成的地基承載能力、自重和外力作用下邊坡的穩定性、對料倉壁的作用、土壤對擋土牆的作用、碎礦石的運動規律以及貯料塔放出物料時的受力狀況和物料的運動規律、土應力分析、非飽和土中孔隙水的影響等一系列工程問題，普遍採用流體力學、彈塑性理論進行顆粒體系巨觀力學行為的分析。
但是，顆粒物質體系很多基礎力學問題並沒有解決，現有散體力學和土力學的理論框架建立體積微元應力一應變本構關係基礎上，無法細緻考慮顆粒幾何形狀、物理特性、顆粒級配，以及填隙液體與顆粒耦合等細節，因此從工程套用角度出發，不得不引入一些唯象參數對簡化的本構關係進行修正，雖然易於數值計算，但不利於解釋內在物理機制。
