基于DIC技术的动载颗粒体系力链分布与破坏机理的研究

This project uses the theoretical analysis, optical measurement, indoor geotechnical experiment and PFC2D simulation method, using the statistical method to study the development and failure mechanism of inter-particle force chain under dynamic load. Based on buckling deformation of force chain according to the thermodynamic theory, considering the characteristics of force transfer, the function between the contact force and particle displacement is derived. The deformation of granular material could be captured by CCD camera. the centroid position of each particle could be extracted. Displacement of the particle centroid could be obtained using digital image correlation (DIC), and then the particle contact forces could be acquired. Investigate the relationship between contact force of the normal and tangential and establish the theoretical model of force chain distribution and transmission, forming an experiment method force chain monitoring and tracking of particles system under dynamic load. In order to explore the effects of various factors, the shear and compression experiments under the same conditions are carried out. Make a comprehensive analysis of the experimental results and corrected the model of force chain distribution and transfer model. Using experiment measurement and numerical simulation method, the force chain length and duration are analyzed. Study the parameter characterization of force chain destruction and construct the force chain failure prediction theory and method under dynamic load.

本项目采用理论分析、微细观光测实验及PFC2D数值模拟相结合的手段，利用统计方法研究动载作用下颗粒体系力链的发展与破坏机理。以力链屈曲-热力学连续介质本构模型为基础，考虑颗粒间力的传递特性，推导颗粒间接触力与颗粒位移之间的函数关系。对颗粒体系变形图像进行边缘检测，提取颗粒形心位置，利用DIC计算颗粒形心位移，获得颗粒间接触力。探讨法向和切向接触力之间的关系，设定强力链的力大小和角度的判据，建立动载作用下颗粒体系力链分配与传递的理论模型，形成动载下颗粒体系力链监测与追踪的实验方法。在观测环境和颗粒材料相同的条件下，开展动载作用下颗粒体系剪切和压缩实验研究及理论分析，利用统计方法探讨各种因素的影响规律，修正力链分配与传递模型。深入研究动载作用下颗粒体系力链破坏机理，利用实验测试与数值模拟相结合的手段，研究力链长度及持续时间，探讨颗粒体系力链破坏的参数表征，构建动载作用下力链破坏预测理论与方法。

考虑颗粒体系的性能，利用牛顿力学理论和颗粒线性动量平衡求颗粒间接触力的方法，理论推导出了宏细观结合的颗粒体系本构模型，构建了颗粒间接触力和颗粒位移之间的函数关系，实现了颗粒间接触力的定量获取，形成了颗粒体系力链识别方法。该方法原理如下：通过数字图像相关方法 (Digital Image Correlation， DIC)得到钢条在向下移动过程中钢珠颗粒体系中颗粒在荷载作用下产生的位移和应变，从而获得全场应力值，并求得每个颗粒的平均应力。对采集的初始图像进行边缘提取及霍夫(Hough)变换，得到每个颗粒的形心位置坐标和半径、以及颗粒间接触点的位置坐标，对所有颗粒和接触点进行编号，获得颗粒体系的排列结构。将平均应力和颗粒体系排列结构作为初始数据，通过牛顿力学理论和颗粒线性动量平衡推导获得颗粒间接触力。.(2) 依据颗粒体系力链识别方法，编制完成了颗粒体系力链识别程序，实现了力链的自动识别与提取。应用数字图像相关方法(Digital Image Correlation, DIC)研究二维颗粒体系内部力链演变行为，搭建了颗粒体系力链识别及分析系统。在相同条件下，开展了不同颗粒尺寸、不同颗粒形状的点荷载下的颗粒体系加载实验，讨论了不同形状颗粒体系的力链长度、载荷变化、位移场速度场和力链网络分布。分析了不同颗粒尺寸下刚条底部接触力变化情况，并简单探讨了颗粒间接触力大小分布与力链形成关系。探讨了颗粒形状和尺寸变化对颗粒体系细观参数的影响规律，分析了力链的演变规律，并提取力链破坏的参数表征。.(3) 对颗粒体系内部力链的形成及结构进行探索，对体系力链进行提取和分析，提出传力状态、颗粒间夹角、颗粒直径等可致力链断裂破坏的因素并针对这些因素展开分析。结合影响力链破坏的因素提出一种简单识别力链路径和断裂点的方法，构建了动载作用下颗粒体系力链破坏预测理论与方法；.(4) 利用PFC (Particle Flow Code)建立圆形、椭圆形颗粒体系模型，对体系的位移场、速度场和力链进行模拟分析。并将实验测量结果与PFC模拟结果进行了对比分析。.(5) 开展基于传统土工实验与数字图像相关方法相结合的直剪实验，对福建平潭标准砂试样用改造后的可视化直剪仪进行实验研究，获得试样的孔隙比、异性率和定向率等参数，识别了体系的细观力链分布。简单探讨了砂土试样的微细观参数对宏观力学性能的反映机理。