颗粒材料中的偶应力效应及Cosserat介质本构模拟研究

颗粒材料许多复杂的力学行为与其细观结构有关。许多研究者通过采用Cosserat介质模型，在对颗粒材料的宏观唯象模拟中考虑一定程度的细观结构效应。但由于无法通过实验直接量测偶应力，文献中提出的许多Cosserat介质本构模型缺少实验支撑，具有很大的随意性。本课题将基于亚塑性理论和Cosserat介质理论框架，通过细观力学分析、实验和数值模拟等方法，研究颗粒材料应变局部化过程和失效流动中的偶应力效应及其对材料宏观变形和失效规律的影响，阐明细观和宏观力学量之间的相互关系，探讨验证本构模型和确定细观效应参数的实验方法，最终建立起以细观力学为基础的可以通过实验验证的颗粒材料Cosserat介质本构模型。

本项目主要以土木工程中无粘性粗颗粒土为代表的颗粒材料为研究对象，基于Cosserat介质理论框架，研究颗粒材料的微观结构对应变局部化现象的影响，以及在采用Cosserat介质模拟颗粒材料在变形与失效过程中的力学响应所需要解决的一些关键问题，包括对偶应力的认识和Cosserat介质模型中与偶应力相关参数意义和数值的确定。研究工作在非弹性Cosserat介质理论、参数的阐释和通过实验确定参数的方法等方面取得了进展，结合一个特定的亚塑性Cosserat介质模型，较好地阐明了材料细观结构尺度效应。根据离散元数值模拟的结果，提出并建立了一种实验装置，用于研究颗粒材料中的应变局部化现象和量测剪切带厚度。