【黄俊宇】冲击载荷下颗粒材料多尺度变形行为和颗粒破碎特性研究

冲击载荷下颗粒材料多尺度变形行为与破碎特性研究答辩时间：2016年5月29日答辩人：黄俊宇指导老师：胡时胜教授徐松林副教授罗胜年教授博士学位论文答辩1目录1.绪论–研究背景、现状和思路2.基于离散元的颗粒破碎模拟–局部阻尼–接触摩擦3.颗粒材料宏观冲击响应–应变率效应–颗粒尺寸和级配效应4.颗粒材料细观变形不均匀性5.动静态颗粒破碎强度和模式–准静态破碎：强度尺寸效应–单晶动态破碎：各向异性–平板冲击破碎：破坏波6.总结与展望2研究背景：颗粒材料颗粒材料在自然界和生产生活中广泛存在：沙丘，土壤，矿石，面粉，药剂，果堆等。堆积特性；流动特性；力链34/66研究背景：冲击动力学侵彻，冲击成坑：颗粒材料动态本构关系PBX炸药起爆：变形场热点形成冲击合成：原胚质量决定材料和构件性能研究现状：应变率效应5关于颗粒材料的应变率效应的敏感性问题没有统一的结论：不敏感：Brogov(2008),Song(2009),郑文（2012）敏感：Schindler(1968),Farr(1990),Brogov(1996)Omidvar,2013,review微观变形机理：颗粒重排；颗粒破碎Schindler:颗粒重排Farr:颗粒破碎与加载速率相关颗粒材料应变率效应机理不清楚：6研究现状：细观变形场X射线原位诊断：强穿透，高时空分辨率准静态：3DCT动态：XDIC光学DIC,PIV空间分辨率差：散斑大小动态：运动模糊光弹性方法透明特殊光学材料接触力分布Majmudar,Nature,2015Lu,RSI,20147研究现状：颗粒破碎颗粒材料内部的颗粒破碎：统计分析单晶动态破碎：应变率对颗粒破碎过程的影响颗粒破碎分析手段：激光粒度分析;图像分析冲击破碎：破坏波动态破坏模式：各向异性；特殊的微结构同时的X射线成像与衍射微观机理存在争议：相变；剪切破裂；表面裂纹传播冲击波波后应变场测量Bourne,JAP,1996单颗粒破碎：破坏模式动态、原位、同时X射线相衬成像和衍射系统8Luoetal.,RSI,2012Fanetal.,RSI,2014Fanetal.,RSI,2016实验研究为主，离散元模拟为辅，少量的理论分析。研究思路9离散元模拟实验动静态加载下的多尺度变形和破碎响应颗粒材料变形和破碎的微细观机理微细观变形机理动静态加载原位光学和X射线探测回收激光粒度分析目录1.绪论–研究背景、现状和思路2.基于离散元的颗粒破碎模拟–局部阻尼–接触摩擦3.颗粒材料宏观冲击响应–应变率效应–颗粒尺寸和级配效应4.颗粒材料细观变形不均匀性5.动静态颗粒破碎强度和模式–准静态破碎：强度尺寸效应–单晶动态破碎：各向异性–平板冲击破碎：破坏波6.总结与展望10基于离散元的颗粒破碎模拟11微观：刚体运动接触，滑移细观：键接；滑移，旋转宏观：集合体颗粒重排与破碎接触与键接本构（不考虑热效应）基于离散元的颗粒破碎模拟12cEbEbb模型参数：实验：石英砂，15m/s定量：屈服应力对数线性粒子接触键接13局部阻尼：应力应变曲线边界应力与体积平均应力接触应力分布2QQ地层品质因子阻尼系数：接触摩擦：宏观响应14压缩曲线颗粒破碎曲线Huangetal.,Granul.Matter.,201515接触摩擦：微观变形机理接触滑移分数颗粒平均旋转速度摩擦系数增大使颗粒重排的主要形式从接触滑移变成颗粒旋转。16接触摩擦：破碎模式平均接触力演化破碎模式nfsf微观颗粒破碎模式从拉伸破坏逐渐向剪切破坏过渡。小结17基于离散元的颗粒材料多尺度模型能够定性模拟和预测真实颗粒材料宏细观尺度上的冲击压缩响应。1.局部阻尼物理上是一种应力波的衰减机制，合适的局部阻尼水平必须根据颗粒材料的地层品质因子来设定。2.粒间摩擦对颗粒材料宏观压缩曲线影响很小，高接触摩擦在限制接触滑移的同时会促进颗粒旋转。3.颗粒破碎量随摩擦系数增大而呈现非单调增长行为，微观颗粒破碎模式从拉伸破坏占优向剪切破坏占优转变。目录1.绪论–研究背景、现状和思路2.基于离散元的颗粒破碎模拟–局部阻尼–接触摩擦3.颗粒材料宏观冲击响应–应变率效应–颗粒尺寸和级配效应4.颗粒材料细观变形不均匀性5.动静态颗粒破碎强度和模式–准静态破碎：强度尺寸效应–单晶动态破碎：各向异性–平板冲击破碎：破坏波6.总结与展望18实验装置和材料19SHPB动态加载；颗粒尺寸与级配效应宽应变率加载应变率效应应变率效应：应力应变曲线20明显应变率效应Huangetal.,Mech.Mater.,2013应变率效应：颗粒尺寸分布曲线21明显“应变率效应”离散元模拟：微观机理分析22应变率碎片数量摩擦耗散总体能量效率颗粒尺寸和级配效应23应力应变曲线FQS:Finequartzsand细石英砂CQS:Coarsequartzsand粗石英砂WGS:Well-gradedquartzsand级配良好的石英砂Huangetal.,IJIE,2013屈服应力、可压缩性和吸能效率24屈服应力、可压缩性吸能效率屈服应力与颗粒破碎强度正相关颗粒尺寸分布25FQSFQSCQSWGS颗粒破碎与能量效率26颗粒破碎随应力演化关系颗粒破碎能量效率颗粒平均配位数27颗粒尺寸破碎强度拉剪应力配位数升高28小结本结主要讨论应变率、颗粒尺寸和级配对颗粒材料（石英砂）的宏观压缩响应和颗粒破碎过程的影响。1.颗粒材料具有明显应变率效应，动态加载下颗粒破碎产生的碎片数量更多，产生更多运动自由度，由于颗粒重排造成的摩擦耗散也就更大，相同应力水平下颗粒破碎量更低。2.大颗粒破碎强度低，但平均配位数高，内部拉剪切应力水平低，破碎概率与小颗粒相当。颗粒材料内部最终能形成一个稳定的颗粒尺寸分布。目录1.绪论–研究背景、现状和思路2.基于离散元的颗粒破碎模拟–局部阻尼–接触摩擦3.颗粒材料宏观冲击响应–应变率效应–颗粒尺寸和级配效应4.颗粒材料细观变形不均匀性5.动静态颗粒破碎强度和模式–准静态破碎：强度尺寸效应–单晶动态破碎：各向异性–平板冲击破碎：破坏波6.总结与展望2930动态原位X射线相衬成像基于小型SHPB的动态原位X射线相衬成像系统SiC31压缩曲线与相衬成像应力单调增加“压实波”密实均匀压实疏松上升、软化、再上升32细观变形场的非均匀性I()exp(1)Pxaxx应变场统计接触力场统计Huangetal.,ScriptaMater.,2015Majmudaretal.,Nature,2005颗粒材料内禀属性33细观变形场的非均匀性II“压实波”“压实波”后出现压缩变形带。34小结我们利用霍普金森压杆结合动态原位X射线DIC方法研究了SiC陶瓷粉末的动态压缩性能。1.在低密度粉末样品内，变形不均匀性非常明显，在压缩过程中会形成压实波扫过整个样品，压实波后会形成压缩变形带。2.初始密度较高的样品内没有出现压实带，宏观上表现为均匀压缩，但细观尺度上的变形仍然表现出极大的非均匀性，本质上是颗粒材料内部接触力的非均匀传播导致的。目录1.绪论–研究背景、现状和思路2.基于离散元的颗粒破碎模拟–局部阻尼–接触摩擦3.颗粒材料宏观冲击响应–应变率效应–颗粒尺寸和级配效应4.颗粒材料细观变形不均匀性5.动静态颗粒破碎强度和模式–准静态破碎：强度尺寸效应–单晶动态破碎：各向异性–平板冲击破碎：破坏波6.总结与展望3536准静态压缩破碎：K9玻璃珠拉伸劈裂，剪切分叉弹塑性变形整体弹性，塑性发生在接触区域37Weibull统计分析颗粒破碎时的载荷和变形汇总Weibull分布拟合强分散性38Weibull应力和强度尺度律拉伸和剪切破坏Weibull尺度律39颗粒动态变形和破碎：单晶硅原位、同时X射线成像和衍射系统Huangetal.,ActaMater.,2015单晶硅40颗粒动态变形和破碎破碎强度010212mm41X射线成像与衍射：破碎模式各向异性主裂纹拉伸与剪切裂纹网络次裂纹破坏微损伤破坏#2：#1：42损伤演化微损伤灾难性破坏主-次裂纹依次发展损伤线性增长损伤急剧增长样品#1的灰度值分布#1#243破碎模式讨论微损伤主裂纹解离破坏次裂纹破坏灾难性破坏（破坏波）损伤随机成核剪切和拉伸裂纹网络#1#244平板冲击颗粒破碎：破坏波冲击波与破坏波Huangetal.,PRB,201545冲击波与破坏波速度破坏波速度随冲击速度增加而增加，直至追赶上冲击波。46冲击波后应变场：时间演化不均匀压缩变形泊松效应不均匀拉伸和剪切变形集中波后损伤破坏波材料微结构47冲击波后应变场：冲击强度演化不均匀拉伸和剪切变形集中波后损伤区破坏波速度冲击速度小结48我们利用MTS、SHPB和气炮，结合X射线成像和衍射以及超快光学DIC等先进诊断技术，对脆性颗粒准静态和冲击加载下的损伤机理和破碎模式进行了系统研究。1.同尺寸玻璃珠的破碎强度符合Weibull分布，特征破碎强度与颗粒尺寸满足幂律关系；特征破碎应力强烈依耐于颗粒破碎模式，可以用Weibull系数来表征。2.单晶硅沿不同晶向的破坏模式不同，导致了不同的破坏强度分布和损伤演化过程。3.不均与压缩变形通过泊松效应在冲击波后诱导出拉伸和剪切变形集中，产生的预损伤和破坏波速度都随冲击强度的增加而增加。目录1.绪论–研究背景、现状和思路2.基于离散元的颗粒破碎模拟–局部阻尼–接触摩擦3.颗粒材料宏观冲击响应–应变率效应–颗粒尺寸和级配效应4.颗粒材料细观变形不均匀性5.动静态颗粒破碎强度和模式–准静态破碎：强度尺寸效应–单晶动态破碎：各向异性–平板冲击破碎：破坏波6.总结与展望49全文总结：5050离散元模拟实验宏观细观微观应力应变曲线颗粒尺寸分布曲线应变场动静态颗粒破碎强度和模式应变率效应尺寸，级配颗粒破碎统计参量演化细观变形非均匀性颗粒破碎微观机理颗粒材料变形和破碎的微细观机理宏观响应微细观机理多尺度模型51创新点1.首次揭示了粒间摩擦导致的颗粒破碎量的非单调增长现象和微观机理。2.首次澄清了颗粒材料宏观应变率效应的微观机理即颗粒破碎过程的率效应。从颗粒破碎角度将颗粒尺寸和级配效应的微观机理统一起来。3.首次发现颗粒材料在冲击加载下的压实波现象，揭示出颗粒材料的变形场和接触力场的非均匀性在统计上存在强关联性。4.首次量化了颗粒压缩破碎强度与破碎模式之间的定量关系。5.首次开展了单晶硅冲击压缩破坏过程的原位多尺度X射线测量，揭示了单晶破碎强度、损伤演化和破坏模式的各向异性。6.首次实现了冲击波波后二维应变场的原位测量，澄清了破坏波的微观机理。工作展望521.颗粒尺寸和颗粒级配等因素对颗粒材料细观变形场的不均匀性的影响。2.颗粒材料中波的传播问题。本文工作的直接延续。3.PBX炸药的冲击变形和热点形成机理。4.冲击加载下颗粒材料的阻塞相变机理。5.尝试开展理论建模研究，自下而上来建立颗粒材料的动态本构模型。[1]J.Y.Huang,J.C.E,J.W.Huang,T.Sun,K.Fezzaa,S.L.Xu*,S.N.Luo*.Dynamicdeformationandfractureofsinglecrystalsilicon:fracturemodes,damagelaws,andanisotropy.ActaMater.,2016,114:136-145.[2]J.Y.Huang,L.Lu,D.Fan,T.Sun,K.Fezzaa,S.L.Xu*,M.H.Zhu*,S.N.Luo*.Heterogeneityindeformationofgranularceramicsunderdynamicloading.ScriptaMater.,2016,111,114-118.[3]J.Y.Huang,Y.Li,Q.C.Liu,X.M.Zhou,L.W.Liu,C.L.Liu,M.H.Zhu*,andS.N.Luo*.Originofcompression-inducedfailureinbrittlesolidsundershockloading.Phys.Rev.B,2015,92:144101.[4]J.Huang,S.Xu*,S