[发明专利]一种新型颗粒材料组构各向异性的定量测试与分析方法

说明书

技术领域

本发明涉及颗粒材料计算力学和本构模拟。

背景技术

Gillott(1970)以及Yoshinaka与Kazama(1973)用X光进行测量。Morgenstern和Tchalenko(1967)采用了光学的方法来研究粘土的颗粒朝向。Kanatani(1984)发现了张量形式的扭剪密度函数。Kuo和Frost(1996,1997)，Kuo等(1998)以及Jang和Frost(1999,2000)基于立体测量学结合图像分析技术，提供了一种强大的组构张量分析方法。Arthur和Dunstan发现了X光照相术的可能。Dafalias和Arulanandan(1978,1979)，Arulamamdan和Dafalias(1979)以及Anandarajah和Kuganenthira(1995)用一个参数来评估砂土的导电性。河海大学姜景山等采用计算机图像测量分析系统多模型试验图片进行分析，能定量地分析粗颗粒试验过程中颗粒的位移、转角、长轴的定向、配位数以及支向量的变化。清华大学张建民等采用自主研发的双轴压缩试验系统，以圆形和椭圆形截面的金属棒状材料组成的二维堆积体为试验对象，用人工排列形成材料内结构的方法进行相关研究。

以上方法各有优缺点，但每一种方法都具有一定的局限性，只能针对某种材料或者某种试验方法定性获得颗粒材料的组构各向异性。由于颗粒材料的组构各向异性对材料的宏观力学特性具有较大影响，因此，需要提出一套颗粒材料组构各向异性的定量测试与分析方法，该方法方便并具有普适性。

发明内容

本发明的目的是针对背景技术所存在的不足，提供一种颗粒材料组构各向异性的定量测试与分析方法，能标定出不同种类的颗粒材料细观组构的变化，得出相应的细观参数。为此，本发明采用以下技术方案：

它包括以下步骤：

（1）、颗粒材料初始内结构的固定。

施加20～30kPa的较小气压，将环氧树脂缓慢注入颗粒材料试样内，养护颗粒材料试样使其完全硬化；

（2）、对养护固化后的颗粒材料试样切片，并对切片表面进行碾磨、抛光处理；

（3）、用扫描电镜观察分析切片表面的细观结构。

进一步地，本发明采用反映颗粒朝向的几何统计参数来表示砂样的各向异性，其定义为：

其中是单元体中第k个颗粒的主轴相对于水平面的朝向；Δ的取值范围是0到1，当Δ＝0时，颗粒的朝向随机，试样内结构各向同性；当Δ＝1时，颗粒的朝向完全集中于水平面呈各向异性，N代表单元体内的所有颗粒数量。

所述方法采用以下公式定义颗粒材料各向异性组构张量F

Fij=13+Δ1-Δ0001+Δ0001+Δ---(2)]]>

采用本方法，能够很好地固定颗粒材料的初始内结构，经过精心养护固化，对切片表面研磨抛光处理，可以在扫描电镜下清晰地观察到颗粒材料的内结构，在此基础上，可以后续分析工作准确地进行，以准确模拟颗粒材料各向异性和应力各向异性耦合等复杂条件下的力学行为。

附图说明

图1为用于本发明方法的灌注环氧树脂装置的示意图。

图2为用于本发明方法的干燥装置示意图。