趙子淵 李昱君 王富帥 張祺 厚美瑛 李文輝 馬鋼

1)(太原理工大學(xué)力學(xué)學(xué)院,材料強(qiáng)度與結(jié)構(gòu)沖擊山西省重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,太原 030024)

2)(中國(guó)科學(xué)院物理研究所,軟物質(zhì)物理重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,北京凝聚態(tài)物理國(guó)家實(shí)驗(yàn)室,北京 100190)

3)(太原理工大學(xué)機(jī)械工程學(xué)院,太原 030024)

1 引 言

顆粒物質(zhì)是大量宏觀粒子聚集而成的多體系統(tǒng).從環(huán)繞木星的小行星到沙漠中的沙粒,從南極的浮冰到調(diào)味罐里的食鹽,日常生活生產(chǎn)中遇到的許多物質(zhì)都以顆粒的形態(tài)而存在.由于粒子之間的碰撞及摩擦,顆粒物質(zhì)具有典型的強(qiáng)耗散非平衡態(tài)體系的特點(diǎn),與牛頓流體或者彈性固體等連續(xù)性介質(zhì)有顯著的區(qū)別.在外界擾動(dòng)下,顆粒物質(zhì)會(huì)在微觀-介觀-宏觀三個(gè)空間結(jié)構(gòu)尺度下展現(xiàn)出多個(gè)不同特征時(shí)間尺度的動(dòng)力學(xué)行為[1?3].對(duì)這些行為發(fā)生的原理以及機(jī)制的認(rèn)知不僅有助于揭示顆粒材料的基本物理力學(xué)特性,而且對(duì)于生產(chǎn)及原料運(yùn)輸過程中的能源節(jié)約以及山體滑坡等自然災(zāi)害的預(yù)防有重要現(xiàn)實(shí)意義.

玻璃-橡膠顆?；旌喜牧暇哂械唾|(zhì)量密度、強(qiáng)可壓縮性、高阻尼等特點(diǎn),可應(yīng)用于廉價(jià)路基材料、建筑材料、吸能材料、柔性浮力材料等領(lǐng)域[4?6].彈性模量是材料重要的性能參數(shù),宏觀上彈性模量可以衡量物體在外載荷下抵抗彈性變形能力的強(qiáng)弱,微觀上彈性模量則是材料單元之間鍵合強(qiáng)度的指標(biāo).調(diào)制適當(dāng)?shù)牟牧吓浔瓤梢詫?shí)現(xiàn)兼顧剛度和柔韌性的二元顆?；旌喜牧?但材料混合比例對(duì)于混合顆粒體系彈性行為的影響以及微觀機(jī)制尚不明確.李麗華等[7]利用動(dòng)三軸儀研究顆粒混合土的動(dòng)力學(xué)特性,發(fā)現(xiàn)混合土較純砂土動(dòng)強(qiáng)度降低而等效阻尼比增加.Lee等[8]研究小粒徑橡膠顆粒和大粒徑砂土混合材料的動(dòng)態(tài)行為,發(fā)現(xiàn)材料表觀模量是砂土顆粒含量占比的函數(shù),且函數(shù)形式受到樣品所處圍壓狀態(tài)的影響.陳瓊等[9]針對(duì)直剪條件下玻璃-橡膠混合體系動(dòng)力學(xué)研究展開,發(fā)現(xiàn)隨著橡膠顆粒含量的增加,體系會(huì)出現(xiàn)剪漲到剪縮的相轉(zhuǎn)變過程,并且伴隨著體系彈性的提高.已有研究主要從工程應(yīng)用角度出發(fā),針對(duì)不同應(yīng)力狀態(tài)下的樣品描述其宏觀力學(xué)性能的變化,對(duì)其微觀機(jī)制的研究和討論尚顯不足.另一方面顆粒材料是包含多特征時(shí)間尺度弛豫效應(yīng)的復(fù)雜材料,其高頻動(dòng)態(tài)行為與準(zhǔn)靜態(tài)行為有較大差異,而目前主要實(shí)驗(yàn)研究多為準(zhǔn)靜態(tài)加載,缺乏針對(duì)混合顆粒材料在高頻或者高應(yīng)變率條件下的動(dòng)力學(xué)行為的系統(tǒng)研究.

利用聲速測(cè)量來反演材料的彈性模量[10]是材料動(dòng)態(tài)行為研究的常用手段.Jia等[11,12]觀察到彈性波在隨機(jī)密堆顆粒體系中傳播時(shí),波形信號(hào)由傳播速度較快的直接透射相干波和時(shí)間較慢但持續(xù)時(shí)間很長(zhǎng)的散射波兩部分組成.其中根據(jù)直接透射相干波定義的飛行速度由樣品宏觀動(dòng)彈性模量決定,并符合基于Hertz-Mindlin接觸的等效介質(zhì)理論(effective medium theory,EMT)描述.近年來陸續(xù)有學(xué)者[13?18]利用聲波探測(cè)技術(shù)研究單一材料顆粒樣品在準(zhǔn)靜態(tài)壓縮、直接剪切、三軸剪切等加載條件下的宏觀力學(xué)特征、耗散機(jī)制以及內(nèi)部結(jié)構(gòu)的演變特征.由于不同材料參數(shù)的耦合作用,混合顆粒材料內(nèi)部顆粒間接觸的作用機(jī)制以及分布形式更為復(fù)雜,進(jìn)而引起相對(duì)單一材料更為獨(dú)特的彈性行為規(guī)律.Taghizadeh等[19]最近的研究聲稱玻璃-橡膠混合材料的等效彈性模量與橡膠顆粒占比存在非單調(diào)關(guān)系,令人驚奇的是特定比例下硬玻璃珠和軟橡膠珠混合樣品的動(dòng)彈性模量甚至?xí)^純玻璃顆粒的動(dòng)彈性模量.但它們的實(shí)驗(yàn)觀察結(jié)果卻與模擬結(jié)果大相徑庭,對(duì)此作者認(rèn)為此問題仍有待于未來更進(jìn)一步的研究.有鑒于此,本文通過聲學(xué)測(cè)量和離散元(discrete element method,DEM)模擬方法對(duì)玻璃-橡膠混合顆粒的彈性行為變化規(guī)律以及發(fā)生機(jī)制進(jìn)行研究.測(cè)量了混合顆粒體系不同橡膠占比下壓縮波波速和等效動(dòng)彈性模量的變化趨勢(shì)并從力鏈結(jié)構(gòu)以及微觀接觸力分布角度討論產(chǎn)生該變化趨勢(shì)的原因;針對(duì)不同比例的混合顆粒提出兩種改進(jìn)的等效介質(zhì)理論模型用于描述混合顆粒體系的波速變化規(guī)律.

2 實(shí)驗(yàn)方法與結(jié)果

2.1 實(shí)驗(yàn)方法

實(shí)驗(yàn)裝置如圖1所示.整個(gè)裝置由樣品池、力學(xué)加壓系統(tǒng)和聲波探測(cè)系統(tǒng)組成,其中樣品池為內(nèi)徑D1=54 mm,高H=90 mm的鋁質(zhì)圓筒;加壓裝置由壓縮實(shí)驗(yàn)機(jī)和壓力傳感器組成,壓縮實(shí)驗(yàn)機(jī)型號(hào)為智取ZQ-22,壓力傳感器顯示范圍0—1000 N,分辨率1 N;聲波探測(cè)系統(tǒng)由聲波發(fā)生組件(脈沖信號(hào)發(fā)生器、發(fā)射式壓電陶瓷傳感器)以及聲波探測(cè)組件(接收式壓電陶瓷傳感器、信號(hào)放大器、示波器)組成.實(shí)驗(yàn)開始前,樣品池中通過點(diǎn)源法堆積總計(jì)數(shù)量為4000顆的玻璃珠和橡膠珠的混合樣品,通過游標(biāo)卡尺測(cè)量玻璃珠和橡膠珠的粒徑.統(tǒng)計(jì)結(jié)果顯示兩種顆粒均為近球形,直徑(3.00±0.10)mm.實(shí)驗(yàn)選用粒徑基本相等的兩種顆粒以排除形狀和級(jí)配對(duì)實(shí)驗(yàn)結(jié)果的影響,并且可以將樣品組分體積比用顆粒單元數(shù)目比進(jìn)行表示.實(shí)驗(yàn)中以樣品所含橡膠顆粒數(shù)目占比ξ為標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行實(shí)驗(yàn),定義為ξ=NR/N×100%,其中NR為橡膠顆粒數(shù)目,N為樣品顆?？倲?shù)目.實(shí)驗(yàn)時(shí),首先在混合顆粒樣品上表面放置鑲嵌壓電陶瓷片的活塞作為聲波發(fā)射傳感器;然后將樣品池及聲波發(fā)射傳感置于壓縮實(shí)驗(yàn)機(jī)平壓頭正下方,緩慢轉(zhuǎn)動(dòng)實(shí)驗(yàn)機(jī)搖桿向下移動(dòng)平壓頭對(duì)樣品施加法向壓力.為排除樣品制備過程對(duì)實(shí)驗(yàn)結(jié)果造成的隨機(jī)性影響,正式測(cè)量前先對(duì)樣品進(jìn)行三次循環(huán)預(yù)加載,即每次先對(duì)樣品加壓到600 N持續(xù)1 min,至樣品表面高度不再發(fā)生變化,然后加載到500 N進(jìn)行正式測(cè)量.

圖1 實(shí)驗(yàn)裝置示意圖Fig.1.Sketch of experiment setup.

本文采用飛行時(shí)間法測(cè)量樣品中的聲速.實(shí)驗(yàn)過程中,信號(hào)發(fā)生器每隔0.05 s發(fā)射一個(gè)頻率30 kHz的正弦脈沖激勵(lì)直徑50 mm的發(fā)生器產(chǎn)生聲波,聲波穿透顆粒樣品后被直徑50 mm的接收器接收.發(fā)射信號(hào)和接收信號(hào)由示波器實(shí)時(shí)記錄并存儲(chǔ),如圖2所示,其中接收信號(hào)在示波器接收前先由信號(hào)放大器放大100倍.圖2(b)中接收到的信號(hào)包括最先到達(dá)的E波以及之后強(qiáng)烈的散射波S波.通過測(cè)量發(fā)射信號(hào)和接收信號(hào)第一個(gè)波形峰值的時(shí)間差ttof=t2?t1(其中t1和t2分別代表發(fā)射和接收信號(hào)前沿時(shí)間)和兩個(gè)傳感器之間樣品高度H,可以得到E波的傳播速度ctof=H/ttof.

圖2 實(shí)驗(yàn)中發(fā)射接收波形 (a)發(fā)射脈沖波波形圖;(b)接收波波形圖Fig.2.Transmitted and received wave in experiment:(a)Transmitted plus wave;(b)received wave.

2.2 實(shí)驗(yàn)結(jié)果

利用飛行時(shí)間法測(cè)量了不同材料混合比例顆粒樣品的壓縮波波速,如圖3(a)所示,其中每個(gè)數(shù)據(jù)點(diǎn)重復(fù)實(shí)驗(yàn)10次計(jì)算平均值.可以看到在500 N的法向壓力下,實(shí)驗(yàn)測(cè)量壓縮波波速隨著橡膠顆粒占比增加呈現(xiàn)非線性單調(diào)下降趨勢(shì)并大致區(qū)分為三個(gè)階段.橡膠占比ξ<20%時(shí),壓縮波波速基本保持恒定;而在20%<ξ<80%時(shí),波速表現(xiàn)為較快下降過程;ξ>80%時(shí),波速雖然還在減小但是非常緩慢.對(duì)于隨機(jī)堆積顆粒體系,其在外加載荷的束縛下,由于顆粒材料的壓縮模量遠(yuǎn)大于間隙氣體的壓縮模量,故可忽略間隙氣體對(duì)聲波傳播的影響,認(rèn)為彈性波僅依靠顆粒之間的相互擠壓而形成的體系內(nèi)部力鏈網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行傳播.錢祖文[20]研究表明如果入射波為平面波,則內(nèi)部結(jié)構(gòu)散射引起的次級(jí)波也為平面波,所以可以利用一維非線性模型等效近似描述實(shí)際的三維顆粒介質(zhì)聲波傳播及散射過程.根據(jù)我們的實(shí)驗(yàn)結(jié)果,純玻璃珠樣品測(cè)量的壓縮波波速約為920 m/s,對(duì)應(yīng)的等效波長(zhǎng)l?=v/f約為3 cm,大于10倍顆粒粒徑.故在長(zhǎng)波長(zhǎng)極限近似下,認(rèn)為混合顆粒材料的等效動(dòng)彈性模量M?與介質(zhì)中的速度VP有關(guān),表示為

其中ρmix是混合顆粒的密度,由ρmix=(1?ξ)ρg+ξρr給出,ρg和ρr分別是玻璃顆粒和橡膠顆粒的材料密度,ξ是顆?；旌衔镏邢鹉z的占比.本實(shí)驗(yàn)選用玻璃珠橡膠珠的密度分別為ρg=2.4 g/cm3,ρr=1.2 g/cm3.通過方程(1)計(jì)算得到的單軸壓縮實(shí)驗(yàn)下混合顆粒材料的等效動(dòng)彈性模量與混合材料比例的關(guān)系如圖3(b)所示.可以看到M?呈現(xiàn)一個(gè)明顯的非線性單調(diào)變化,當(dāng)ξ<20%時(shí),聲速基本恒定,主要由于混合顆粒密度的變化導(dǎo)致M?緩慢減小,視為類玻璃顆粒剛性體系;ξ>80%時(shí)M?緩慢減小,視為類橡膠顆粒柔性體系;而20%<ξ<80%時(shí)急劇減小,混合顆粒的力學(xué)行為由剛性向柔性過渡.

圖3 實(shí)驗(yàn)得到壓縮波波速和等效動(dòng)彈性模量與橡膠顆粒占比ξ的關(guān)系 (a)壓縮波波速隨ξ的變化;(b)等效動(dòng)彈性模量隨ξ的變化Fig.3.Compressional wave velocity and dynamic effective elastic modulus versus fraction of rubber particles ξ obtained by experiment:(a)Compressional wave velocity versus ξ;(b)dynamic effective elastic modulus versus ξ.

2.3 模型及參數(shù)

為了從顆粒間接觸作用及結(jié)構(gòu)幾何排布角度更好地理解實(shí)驗(yàn)結(jié)果,采用基于離散元方法的EDEM軟件實(shí)現(xiàn)了與上述實(shí)驗(yàn)過程類似的計(jì)算機(jī)模擬.首先構(gòu)建了直徑54 mm、高度90 mm的薄壁圓筒作為容器.在圓筒上表面隨機(jī)產(chǎn)生球形顆粒掉落到下板上,不同材料比例的玻璃珠與橡膠珠共4000顆均勻下落并等待3—5 s,直至顆粒平均速度小于10?5mm/s.隨機(jī)生成的顆粒粒徑為2.85—3.15 mm.制備好的顆粒樣品如圖4所示.然后在距樣品上表面2 mm的上方生成一塊剛性上板,使上板向下運(yùn)動(dòng)一定距離將顆粒表面壓平,隨后向下運(yùn)動(dòng)到底板法向受力600 N左右,等待2 s恢復(fù)原位置,模仿循環(huán)加載過程,3次后上表面高度基本不發(fā)生變化.最后待上板運(yùn)動(dòng)到底板法向力(扣除顆粒自重)略超過500 N(多為550 N)后靜止,待其弛豫到500 N后,使上板完成一個(gè)振幅0.001 mm頻率30 kHz且持續(xù)時(shí)間為1.25倍周期的往復(fù)運(yùn)動(dòng).這樣一個(gè)往復(fù)運(yùn)動(dòng)即模擬實(shí)驗(yàn)中壓電陶瓷片受電壓激勵(lì)后的振動(dòng).應(yīng)當(dāng)說明的是,這里上板相較實(shí)驗(yàn)的一個(gè)周期的脈沖多運(yùn)動(dòng)1/4周期,是為了顆粒在經(jīng)歷上板往復(fù)運(yùn)動(dòng)以及顆粒弛豫過程后,其所受壓力與往復(fù)運(yùn)動(dòng)前基本一致.記錄上板與底板的受力曲線以確認(rèn)壓縮波飛行時(shí)間,如圖5所示.

圖4 模擬制備的顆粒樣品(圖示為橡膠顆粒占比ξ為50%的樣品)Fig.4.Prepared particle sample by simulation(sample at fraction of rubber particles ξ=50%).

為了實(shí)現(xiàn)計(jì)算精度但不過度增加計(jì)算量,本文采用Hertz-Mindlin無滑動(dòng)非線性接觸模型[21?23]計(jì)算顆粒速度及相互作用力.在半徑為R的單個(gè)顆粒上的作用力包括重力mg、法向和切向方向接觸力Fn和Ft.通過牛頓運(yùn)動(dòng)定律表示系統(tǒng)中顆粒i的平動(dòng)和轉(zhuǎn)動(dòng):

式中ri,θi,mi和Ii分別是顆粒i的位置矢量、角位移、質(zhì)量和慣性矩;是顆粒i的單位角速度;μr,ij是顆粒i和j的滾動(dòng)摩擦系數(shù).Hertz-Mindlin no-slip模型[21]中顆粒i和j間法向和切向接觸力分別為:

這里等效參數(shù)分別為顆粒i和j的參數(shù)(半徑R?、 質(zhì)量m?、 楊氏模量E?和剪切模量G?),,和剪切模量;ξi和ξj分別是顆粒i和j的泊松比;β是轉(zhuǎn)換系數(shù)定義為;eij表示顆粒i和j的恢復(fù)系數(shù);分別表示碰撞時(shí)顆粒i和j的相對(duì)法向和切向速度,,;δn,ij和δt,ij分別表示顆粒i和j間法向和切向相對(duì)位移通過碰撞時(shí)計(jì)算得到.值得注意的是切向力遵循庫侖摩擦定律,最大值為μs,ijFn,ij,這里μs,ij是顆粒i和j間滑動(dòng)摩擦系數(shù).模擬過程各項(xiàng)材料參數(shù)均保持一致,見表1.

圖5 模擬發(fā)射接收波形 (a)發(fā)射脈沖波波形圖;(b)接收波波形圖Fig.5.Transmitted and received wave in simulation:(a)Transmitted plus wave;(b)received compressional wave.

表1 模擬參數(shù)Table 1.Parameters used in simulation.

在DEM模擬中,決定時(shí)間步長(zhǎng)普遍使用的原理是對(duì)于計(jì)算顆粒間增加力和位移的時(shí)間步長(zhǎng)必須小于瑞利臨界時(shí)間步長(zhǎng)?tr,?tr可以通過以下計(jì)算得到:

這里ρ,ξ和G分別為系統(tǒng)顆粒的密度、泊松比和剪切模量.本文考慮計(jì)算時(shí)間和計(jì)算精度,選擇5%?tr作為計(jì)算步長(zhǎng)時(shí)間實(shí)現(xiàn)模擬.

2.4 模擬結(jié)果

通過DEM模擬,得到了模擬樣品的壓縮波聲速并求得了等效動(dòng)彈性模量,每個(gè)數(shù)據(jù)點(diǎn)重復(fù)模擬8次.圖6為模擬得到的壓縮波波速與等效動(dòng)彈性模量分別隨混合組分變化的結(jié)果.受實(shí)驗(yàn)條件所限,本文實(shí)驗(yàn)選用的玻璃珠及橡膠珠的材料參數(shù)如剪切模量、泊松比等不能精準(zhǔn)確定,故參考前人的相關(guān)工作,選用表1所列顆粒材料參數(shù)來實(shí)現(xiàn)模擬,并主要關(guān)注結(jié)果變化趨勢(shì).可以看到模擬結(jié)果與實(shí)驗(yàn)結(jié)果的趨勢(shì)基本一致.在橡膠占比ξ<20%以內(nèi)波速恒定,隨后快速下降,ξ>80%后聲速緩慢減小.等效動(dòng)彈性模量隨著ξ的增加也呈現(xiàn)出單調(diào)非線性下降.下文對(duì)于混合顆粒體系表現(xiàn)出的非線性行為,通過力鏈結(jié)構(gòu)與微觀單元接觸力的分布進(jìn)行分析.

圖6 模擬得到壓縮波波速和等效動(dòng)彈性模量同橡膠顆粒占比ξ的關(guān)系與實(shí)驗(yàn)結(jié)果的對(duì)比 (a)壓縮波波速隨ξ變化的模擬與實(shí)驗(yàn)結(jié)果;(b)等效動(dòng)彈性模量隨ξ變化的模擬與實(shí)驗(yàn)結(jié)果Fig.6.Comparison of the results between simulation and experiment:(a)Comparison of compressional wave velocity versus ξ by DEM simulations and experiment;(b)comparison of dynamic effective elastic modulus versus ξ by DEM simulations and experiment.

3 討 論

顆粒材料通過顆粒間相互接觸產(chǎn)生的獨(dú)特的力鏈網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)來承受外界載荷.光彈實(shí)驗(yàn)[24]顯示,力鏈網(wǎng)絡(luò)上局部顆粒間接觸有強(qiáng)弱之分,傳遞較大份額荷載的路徑構(gòu)成強(qiáng)力鏈,反之形成弱力鏈.盡管強(qiáng)力鏈顆粒間平均作用力遠(yuǎn)大于弱力鏈顆粒間平均作用力,但弱力鏈所包含的顆粒數(shù)目卻遠(yuǎn)大于強(qiáng)力鏈,正是力鏈結(jié)構(gòu)的這種二重性決定了樣品的宏觀力學(xué)性質(zhì).對(duì)于我們的實(shí)驗(yàn)結(jié)果,當(dāng)ξ<20%時(shí)樣品壓縮波波速基本恒定,考慮到接收到的聲波信號(hào)中最先到達(dá)的是通過強(qiáng)力鏈傳播而來的直接透射相干波,這也暗示混入少量的橡膠顆粒在統(tǒng)計(jì)意義上并沒有改變樣品中力鏈的結(jié)構(gòu)特征.選取模擬樣品軸對(duì)稱剖面處厚度為4 mm(略大于1倍粒徑)的切片,統(tǒng)計(jì)切片內(nèi)部出現(xiàn)的顆粒間法向的相互作用力并將大于平均值的法向力矢量用綠色標(biāo)記,接觸力越大則力矢量越粗.由此得到不同橡膠顆粒占比時(shí)樣品內(nèi)部的力鏈結(jié)構(gòu),如圖7所示.結(jié)果顯示當(dāng)ξ=10%以及ξ=20%時(shí),只有極個(gè)別的橡膠珠參與了主力鏈的構(gòu)成,可視為橡膠珠僅僅填充在主力鏈周圍的空位.樣品仍然是由玻璃顆粒也就是硬顆粒所組成的主力鏈來承擔(dān)外載荷.類似于光學(xué)費(fèi)馬原理,相干波沿著更快的主力鏈傳播,這就導(dǎo)致低橡膠占比樣品壓縮波波速基本恒定的特征.當(dāng)ξ>20%以后,隨著混合顆粒體系中橡膠占比增加,橡膠顆粒逐漸取代主力鏈上的玻璃顆粒,壓縮波通過主力鏈上更軟的橡膠珠也就需要花費(fèi)更多的時(shí)間,所以聲速以及等效動(dòng)彈性模量持續(xù)減小.對(duì)于ξ>80%的樣品,由于橡膠珠模量較低,每個(gè)單元都會(huì)有比玻璃單元更大的變形,其內(nèi)部力鏈分布相對(duì)更加均勻,參與主力鏈的顆粒數(shù)目會(huì)更多,此時(shí)少量的玻璃顆?？梢暈閼腋∮谙鹉z顆粒中,此范圍內(nèi)玻璃珠含量對(duì)聲速的影響有限.

考慮到圖7只統(tǒng)計(jì)了一個(gè)切片上的力鏈分布,為了得到更可靠的結(jié)論,我們統(tǒng)計(jì)了樣品內(nèi)部所有顆粒間的接觸力的概率密度函數(shù),用于描述樣品內(nèi)部力的分布特征,如圖8所示.其中顆粒間的接觸類型按三種不同情況統(tǒng)計(jì):g-g,g-r,r-r(其中g(shù)代表玻璃顆粒,r代表橡膠顆粒).結(jié)果顯示:對(duì)于ξ=10%及ξ=20%的樣品,g-g型接觸力分布形式同ξ=0%的樣品基本相同,且該類型接觸力為樣品內(nèi)部接觸力的主要形式,并為樣品提供強(qiáng)接觸力從而形成承受外界載荷的強(qiáng)力鏈結(jié)構(gòu).相對(duì)而言g-r型與r-r型接觸力不僅數(shù)量少,產(chǎn)生強(qiáng)力的概率也小于g-g型接觸,尤其是r-r型接觸基本不包含大于平均力的接觸,以上結(jié)果與單一切片內(nèi)部力鏈圖的觀察結(jié)果是相同的.對(duì)于ξ=50%的樣品,三種類型的接觸力分布基本一致,可見無論是橡膠顆粒還是玻璃顆粒都參與了強(qiáng)力鏈的組成.當(dāng)ξ進(jìn)一步增大到80%以上,g-g型接觸數(shù)目急劇減小,并且主要以弱接觸形式存在,且樣品內(nèi)部大于5倍平均力的強(qiáng)力出現(xiàn)概率小于低橡膠顆粒占比樣品,可以認(rèn)為高橡膠顆粒占比樣品內(nèi)部力的分布相對(duì)更為均勻.

文獻(xiàn)[19]報(bào)道了相似的實(shí)驗(yàn),但他們的結(jié)果顯示當(dāng)橡膠珠含量ξ≈20%的樣品等效動(dòng)彈性模量甚至超過純玻璃珠樣品,對(duì)于這個(gè)結(jié)果作者也沒有給出明確的解釋.我們查閱的其他文獻(xiàn)所報(bào)道的各實(shí)驗(yàn)條件下的彈性模量結(jié)果均是隨著橡膠顆粒增加而減少.但文獻(xiàn)[19]與本文結(jié)果一致的是玻璃-橡膠混合顆粒樣品均表現(xiàn)為從類玻璃的剛性行為轉(zhuǎn)變?yōu)轭愊鹉z的柔性行為的非線性變化.這種變化趨勢(shì)和多相均勻連續(xù)介質(zhì)的聲速測(cè)量結(jié)果十分類似.已有工作[25,26]證明多相均勻連續(xù)介質(zhì)的聲速測(cè)量結(jié)果介于兩個(gè)極限之間,即:基于等應(yīng)變假設(shè)的Viogt上限和等應(yīng)力假設(shè)的Reuss下限.這種相似性意味著混合顆粒內(nèi)部聲傳播也可能存在兩種不同的機(jī)制.對(duì)于單種顆粒材料,EMT能夠較好地描述滿足緊束縛及仿射變換近似顆粒體系的彈性波行為.對(duì)于二元混合顆粒材料尚缺乏相關(guān)模型,這里我們簡(jiǎn)單討論EMT對(duì)混合顆粒樣品的適用性.EMT從顆粒間的Hertz接觸模型出發(fā),基于平均場(chǎng)理論的思想,建立起單一介質(zhì)顆粒固體力學(xué)量和聲速之間的關(guān)系.壓縮波波速滿足

其中K為體積模量,μ為剪切模量,ρ?為樣品等效密度.K,μ又分別記為:

其中Cn為法向剛度,Ct為切向剛度,φ為體積分?jǐn)?shù),z為平均配位數(shù).

由于顆粒間無論是哪種材料的相互接觸都認(rèn)為滿足Hertz關(guān)系,即認(rèn)為球與球之間通過非線性彈簧鏈接.則將混合顆粒樣品整體作為質(zhì)點(diǎn)-彈簧復(fù)雜網(wǎng)絡(luò)體系.上文已經(jīng)說明在ξ<20%時(shí)主要由玻璃珠構(gòu)成主力鏈結(jié)構(gòu),考慮到玻璃珠的模量遠(yuǎn)大于橡膠珠,則此時(shí)樣品內(nèi)部顆粒間的變形較接觸力的分布更為均勻,近似滿足等應(yīng)變假設(shè),類比于振動(dòng)力學(xué)多彈簧連接等效剛度的思想,認(rèn)為混合顆粒樣品可以簡(jiǎn)化為并聯(lián)彈簧模型.反之當(dāng)ξ>80%時(shí),橡膠珠變形較大,但顆粒間作用力分布相對(duì)均勻,如圖8(e)和圖8(f)所示,故可將混合顆粒簡(jiǎn)化為串聯(lián)彈簧模型.對(duì)于混合顆粒,推導(dǎo)其EMT嚴(yán)謹(jǐn)?shù)慕馕鲂问绞掷щy,這里進(jìn)行一個(gè)近似化處理.假設(shè)樣品的串聯(lián)等效剛度為:

并聯(lián)等效剛度為

將不同材料比例調(diào)制的等效剛度代入(7)—(9)式即可得到兩種改進(jìn)EMT模型的計(jì)算結(jié)果.

圖7 不同ξ時(shí)樣品內(nèi)部的力鏈圖(圖中粉紅色顆粒為玻璃珠,黃色顆粒為橡膠珠,綠色矢量為顆粒間大于平均法向力的力矢量,線越粗代表力矢量越大)Fig.7.The force chain diagram of the samples at different ξ(the pink particles are glass beads and the yellow particles are rubber beads,the green vector is force vector larger than average normal force between the particles,the thicker line represent the larger force).

圖8 不同ξ時(shí)顆粒間法向接觸力的概率密度函數(shù) (g代表玻璃珠,r代表橡膠珠,(a)—(g)分別代表ξ=0%,10%,20%,50%,80%,90%和100%)Fig.8.The probability density function of the normal contact force between the particles at different ξ(g stands for glass beads,r stands for rubber beads,Figures(a)–(g)stands for ξ =0%,10%,20%,50%,80%,90%and 100%).

圖9 改進(jìn)等效介質(zhì)理論模型聲速計(jì)算結(jié)果和模擬結(jié)果(黑色點(diǎn)表示并聯(lián)彈簧假設(shè)下等效介質(zhì)理論計(jì)算結(jié)果,紅色點(diǎn)表示串聯(lián)彈簧假設(shè)下等效介質(zhì)理論計(jì)算結(jié)果,綠色點(diǎn)為模擬結(jié)果,上述結(jié)果均進(jìn)行了歸一化處理)Fig.9.Sound velocity calculated by improved effective medium theory and simulation results(the black dots show the calculation results of improved effective medium theory based on parallel spring hypothesis,the red dots represent the results of improved effective medium theory based on series spring hypothesis,and the green dots is the simulation results.All the above results are normalized).

由于實(shí)驗(yàn)無法得到內(nèi)部接觸配位數(shù)的值,故選擇將模擬數(shù)據(jù)與按照并聯(lián)模型及串聯(lián)模型計(jì)算得到的數(shù)據(jù)作為對(duì)比.統(tǒng)計(jì)模擬結(jié)果平均配位數(shù)時(shí),對(duì)于接觸邊壁的顆粒(約有1000個(gè)左右)只統(tǒng)計(jì)顆粒間的接觸,故造成統(tǒng)計(jì)實(shí)際值較理想值偏低,本文配位數(shù)變化范圍為4.37—5.58.模擬結(jié)果及模型結(jié)果進(jìn)行歸一化處理如圖9所示.顯然按照并聯(lián)模型改進(jìn)的EMT計(jì)算結(jié)果與橡膠占比較低時(shí)模擬結(jié)果相符合,而按照串聯(lián)模型改進(jìn)的EMT計(jì)算結(jié)果與橡膠占比較高時(shí)模擬結(jié)果一致.其他橡膠顆粒占比下模擬結(jié)果與兩個(gè)模型計(jì)算的結(jié)果均存在較大偏差.對(duì)于文獻(xiàn)[19]所報(bào)道的結(jié)果與本文結(jié)果的差異,可能是因?yàn)楸疚牟捎霉潭▌傂赃叡谌萜骷虞d,而文獻(xiàn)[19]采用偏應(yīng)力為零的靜水壓加載方式加載,從而兩個(gè)實(shí)驗(yàn)樣品內(nèi)部的應(yīng)力狀態(tài)不同所致.下一步我們計(jì)劃就邊界條件以及加載方式對(duì)于混合顆粒彈性的影響等問題展開研究.

4 結(jié) 論

本文利用聲波探測(cè)的實(shí)驗(yàn)方法結(jié)合離散元模擬,研究了隨機(jī)密堆玻璃-橡膠混合顆粒體系所含材料比例與體系等效動(dòng)彈性模量的關(guān)系.實(shí)驗(yàn)和模擬結(jié)果顯示,隨著橡膠珠摻雜比例的增加,混合體系的等效動(dòng)彈性模量呈現(xiàn)出非線性單調(diào)變化.當(dāng)ξ<20%時(shí),模量降低趨勢(shì)比較緩和,表現(xiàn)為類玻璃顆粒剛性行為;隨后模量迅速降低,直至ξ>80%,變化趨勢(shì)再度緩和,表現(xiàn)為類橡膠顆粒柔性行為.通過樣品內(nèi)部力鏈與接觸力分布的分析,認(rèn)為低橡膠占比的混合樣品內(nèi)主要是由玻璃珠構(gòu)成承載外力的主力鏈而橡膠珠基本不參與.進(jìn)入轉(zhuǎn)換區(qū)后橡膠珠代替玻璃珠出現(xiàn)在主力鏈上,因此聲波傳播更慢,體系逐漸向類橡膠柔性區(qū)轉(zhuǎn)化并在高橡膠占比時(shí)再次穩(wěn)定.對(duì)于低橡膠占比和高橡膠占比的樣品提出了基于等效并聯(lián)模型和串聯(lián)模型的改進(jìn)EMT形式,理論計(jì)算結(jié)果和模擬結(jié)果相符合.該研究有利于人們更為直觀地了解混合顆粒材料彈性行為的變化規(guī)律,并對(duì)材料力學(xué)性能優(yōu)化以及實(shí)際應(yīng)用有一定的理論指導(dǎo)作用.

感謝山西省“1331工程”重點(diǎn)創(chuàng)新團(tuán)隊(duì)項(xiàng)目對(duì)課題的資助.

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