顆粒物質(zhì)物理與力學(xué)

內(nèi)容概要

顆粒物質(zhì)由大量離散的固體顆粒組成，近百年來，在工業(yè)和工程領(lǐng)域得到深入研究，提出了大量唯象模型和理論。但是，顆粒固體的強(qiáng)非線性特性和應(yīng)力應(yīng)變局部化，跨越固體和流體的類固-液轉(zhuǎn)變行為，顆粒流體的流變性質(zhì)，顆粒氣體的類氣-液相變等復(fù)雜性質(zhì)的物理機(jī)制還遠(yuǎn)未得到合理解釋。顆粒物質(zhì)是以接觸力為主要作用的多體系統(tǒng)，針對(duì)其多尺度結(jié)構(gòu)特征，分析各自尺度的物理機(jī)制，建立尺度間的關(guān)聯(lián)，是深入研究顆粒體系復(fù)雜物理與力學(xué)性質(zhì)的必然之路。以此為出發(fā)點(diǎn)，孫其誠(chéng)、厚美瑛和金峰等編寫的本書匯總了不同尺度上顆粒物質(zhì)物理與力學(xué)研究的優(yōu)秀成果。
本書可供物理、力學(xué)、水利和地質(zhì)災(zāi)害等領(lǐng)域的科研人員，以及高等院校相關(guān)專業(yè)的研究生和高年級(jí)本科生參考。

書籍目錄

前言
第1章  顆粒固體的流體動(dòng)力學(xué)
  1.1 守恒方程和熵增加方程
  1.2 牛頓流體的熱力學(xué)關(guān)系和材料模型
    1.2.1 流體的平衡態(tài)熱力學(xué)
    1.2.2 平衡條件與熵制造：Onsager非平衡態(tài)熱力學(xué)
    1.2.3 熵流、應(yīng)力和能量流的流體動(dòng)力學(xué)推導(dǎo)
    1.2.4 自由能和遷移系數(shù)模型：材料的流體動(dòng)力學(xué)建模和計(jì)算
  1.3 彈性固體的熱力學(xué)關(guān)系和材料模型
    1.3.1 應(yīng)變的幾何方程：彈性和塑性應(yīng)變
    1.3.2 熱力學(xué)恒等式
    1.3.3 固體的0nsager關(guān)系：暫態(tài)彈性材料的弛豫型耗散
    1.3.4 守恒流、熵流和塑性流的流體動(dòng)力學(xué)推導(dǎo)
    1.3.5 應(yīng)變和應(yīng)力不變量：主軸坐標(biāo)系
    1.3.6 內(nèi)秉各向同性材料的彈性勢(shì)能和遷移系數(shù)
  1.4 顆粒物質(zhì)熱力學(xué)
    1.4.1 顆粒熵和顆粒溫度的“熱力學(xué)”及其弛豫
    1.4.2 顆粒物質(zhì)廣義熱力學(xué)
  1.5 顆粒物質(zhì)的自由能和遷移系數(shù)模型
    1.5.1 能量或熱力學(xué)勢(shì)函數(shù)
    1.5.2 遷移系數(shù)模型
    1.5.3 完整的GSH方程組
  1.6 熱力學(xué)穩(wěn)定性與彈性消失：顆粒固體的應(yīng)力屈服面
  1.7 GSH的基本特性及其與實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)的對(duì)比
    1.7.1 庫侖角
    1.7.2 三軸測(cè)試的庫侖屈服角
    1.7.3 固結(jié)曲線
    1.7.4 狀態(tài)邊界面
    1.7.5 靜態(tài)顆粒固體的非線性彈性特性
    1.7.6 彈性應(yīng)力一應(yīng)變響應(yīng)系數(shù)：與Kowano-Jardine實(shí)驗(yàn)的對(duì)比
    1.7.7 糧倉(cāng)的靜應(yīng)力分布：Janssen模型和Jaky公式
    1.7.8 楔形顆粒堆的靜應(yīng)力分布：密度非均勻?qū)Χ训讐毫τ绊?br />    1.7.9 局域加載力在顆粒物質(zhì)中的力分布：Boussinesq問題
    1.7.10 含塑性的應(yīng)力-應(yīng)變響應(yīng)包絡(luò)環(huán)和塑性流動(dòng)法則：亞塑本構(gòu)公式
    1.7.11 三軸動(dòng)力學(xué)的GSH方程組：棘齒效應(yīng)
    1.7.12 三軸動(dòng)力學(xué)：等體積軸向循環(huán)變形下的應(yīng)力松弛
    1.7.13 三軸動(dòng)力學(xué)：定壓和循環(huán)剪切力作用下的8-字形響應(yīng)曲線
  1.8 討論
  參考文獻(xiàn)
第2章  顆粒物質(zhì)統(tǒng)計(jì)力學(xué)
  2.1 體積系綜
    2.1.1 體積系綜的基本思想
    2.1.2 一維顆粒體系的體積V(X)
    2.1.3 三維顆粒體系的體積V(X)
    2.1.4 顆粒的混合與分離特性
    2.1.5 Z-φ相圖
  2.2 力系綜
    2.2.1 P系綜
    2.2.2 邊界力矩系綜
    2.2.3 應(yīng)力系綜
  2.3 能量系綜
  2.4.Jamming相圖
    2.4.1 無摩擦軟球形顆粒Jammed體系的性質(zhì)
    2.4.2 無摩擦球形顆粒Jammed系統(tǒng)的平均場(chǎng)理論
  2.5 接觸力測(cè)量技術(shù)及分布規(guī)律
    2.5.1 測(cè)量技術(shù)
    2.5.2 力分布規(guī)律
    2.5.3 力分布規(guī)律的統(tǒng)計(jì)解釋
  2.6 研究展望
  參考文獻(xiàn)
第3章  顆粒氣體動(dòng)力學(xué)
  3.1 與經(jīng)典分子氣體的比較
  3.2 研究方法
    3.2.1 重力和微重力實(shí)驗(yàn)
    3.2.2 硬球分子動(dòng)力學(xué)模擬
    3.2.3 流體動(dòng)力學(xué)理論
  3.3 基本統(tǒng)計(jì)特性
    3.3.1 均勻自由冷卻體系
    3.3.2 受外力驅(qū)動(dòng)的顆粒氣體
  3.4 類氣液相變
    3.4.1 顆粒團(tuán)簇
    3.4.2 基本模型
    3.4.3 橫向均勻態(tài)及負(fù)壓縮性質(zhì)
    3.4.4 亞穩(wěn)分界線和兩相共存線
    3.4.5 邊緣穩(wěn)定性分析和臨界尺寸
    3.4.6 討論
  3.5 雙倉(cāng)體系非線性動(dòng)力學(xué)現(xiàn)象
    3.5.1 單分散體系麥克斯韋妖現(xiàn)象
    3.5.2 雙分散體系麥克斯韋妖現(xiàn)象
    3.5.3 雙分散體系振蕩現(xiàn)象
    3.5.4 雙分散體系的分岔行為
  3.6 小結(jié)
  參考文獻(xiàn)
第4章  顆粒的抗轉(zhuǎn)動(dòng)接觸模型
  4.1 發(fā)生接觸的顆粒運(yùn)動(dòng)
    4.1.1 顆粒間的相對(duì)轉(zhuǎn)動(dòng)
    4.1.2 顆粒的轉(zhuǎn)動(dòng)率
    4.1.3 顆粒的能量耗散
  4.2 抗轉(zhuǎn)動(dòng)的顆粒接觸模型
  4.3 考慮轉(zhuǎn)動(dòng)阻力的顆粒運(yùn)動(dòng)
    4.3.1 單一接觸面的情況
    4.3.2 多接觸面的情況
  4.4 剛性邊界的雙軸試驗(yàn)
    4.4.1 整體力學(xué)特性.
    4.4.2 局部力學(xué)特性
  4.5 小結(jié)
  附錄A  抗轉(zhuǎn)動(dòng)接觸模型比較
  附錄B  接觸位移的分解
  符號(hào)表
  參考文獻(xiàn)
第5章  細(xì)觀結(jié)構(gòu)與宏觀力學(xué)性質(zhì)的關(guān)聯(lián)
  5.1 引言
  5.2 符號(hào)規(guī)則
  5.3 細(xì)觀結(jié)構(gòu)的定量描述
    5.3.1 顆粒的幾何特性
    5.3.2 對(duì)偶幾何系統(tǒng)
  5.4 應(yīng)力張量的細(xì)觀定義
  5.5 應(yīng)變張量的細(xì)觀定義
  5.6 細(xì)觀組構(gòu)對(duì)材料力學(xué)性能的影響
    5.6.1 配位數(shù)
    5.6.2 組構(gòu)各向異性
    5.6.3 顆?？臻g排列
    5.6.4 顆粒形狀
    5.6.5 加載引起的細(xì)觀結(jié)構(gòu)演化
  5.7 小結(jié)
  符號(hào)表
  參考文獻(xiàn)
第6章  巖土顆粒力學(xué)
  6.1 經(jīng)典土力學(xué)蘊(yùn)含的顆粒力學(xué)問題
    6.1.1 有效應(yīng)力與顆粒間作用力
    6.1.2 巖土彈塑性極限狀態(tài)與臨界狀態(tài)土力學(xué)
    6.1.3 離散元方法和CT技術(shù)
  6.2 巖土顆粒力學(xué)的強(qiáng)度
    6.2.1 接觸力鏈的定性分析
    6.2.2 宏觀強(qiáng)度與顆粒間摩擦強(qiáng)度的相似關(guān)系
    6.2.3 Rowe應(yīng)力剪脹關(guān)系的局限
    6.2.4 影響宏觀強(qiáng)度與顆粒問摩擦強(qiáng)度相似關(guān)系的因素
    6.2.5 宏觀強(qiáng)度的偽“尺寸效應(yīng)”
    6.2.6 宏觀強(qiáng)度的尺寸效應(yīng)
    6.2.7 宏觀強(qiáng)度的尺寸效應(yīng)與應(yīng)變率的關(guān)系
  6.3 理想顆粒材料的物理實(shí)驗(yàn)與數(shù)值模擬
    6.3.1 光彈顆粒等體積剪切試驗(yàn)
    6.3.2 無側(cè)限雙軸壓縮試驗(yàn)
    6.3.3 片狀顆粒材料的貫入實(shí)驗(yàn)
  6.4 小結(jié)
  符號(hào)表
  參考文獻(xiàn)
第7章  顆粒物質(zhì)類固-液轉(zhuǎn)變過程的分析
  7.1 引言
  7.2 離散元模擬
    7.2.1 應(yīng)力、接觸時(shí)間數(shù)和慣性數(shù)
    7.2.2 轉(zhuǎn)變區(qū)的確定
  7.3 時(shí)空參數(shù)特性
    7.3.1 應(yīng)力分布特性
    7.3.2 接觸時(shí)間數(shù)特性
    7.3.3 顆粒群特性
    7.3.4 慣性數(shù)特性
  7.4 顆粒體系的能量
    7.4.1 顆粒體系的能量平衡狀態(tài)
    7.4.2 能量的分布特性
  7.5 類固-液轉(zhuǎn)變的本構(gòu)方程
    7.5.1 類固態(tài)和類液態(tài)的本構(gòu)方程
    7.5.2 類固-液轉(zhuǎn)變的本構(gòu)方程
  7.6 小結(jié)
  符號(hào)表
  參考文獻(xiàn)
第8章  點(diǎn)載荷響應(yīng)及剪切帶演變的模擬
  8.1 點(diǎn)載荷作用下的力傳遞特性分析
    8.1.1 數(shù)值模擬設(shè)置
    8.1.2 點(diǎn)載荷在體系中的傳遞
    8.1.3 應(yīng)力分布
  8.2 單軸壓縮下的力鏈結(jié)構(gòu)
    8.2.1 力鏈的接觸力判據(jù)
    8.2.2 力鏈的角度判據(jù)
    8.2.3 側(cè)向壓力系數(shù)
  8.3 雙軸壓縮下剪切帶的形成與發(fā)展
    8.3.1 宏觀現(xiàn)象
    8.3.2 應(yīng)變局部化的細(xì)觀分析
    8.3.3 顆粒的旋轉(zhuǎn)分析
    8.3.4 力鏈結(jié)構(gòu)的3種類型
    8.3.5 能量的演化
  8.4 小結(jié)
  附錄A  光彈靜力觸探實(shí)驗(yàn)
    A.1 光彈圖像的平均灰度梯度法，(G2)方法
    A.2 實(shí)驗(yàn)設(shè)置
    A.3 力的分布
    A.4 力鏈網(wǎng)絡(luò)形態(tài)的描述
  附錄B  顆粒體系的能量
    B.1 彈性能
    B.2 動(dòng)能
    B.3 摩擦耗能
  附錄C  高科學(xué)置信度大規(guī)模計(jì)算
  附錄D  顆粒物質(zhì)的細(xì)觀力學(xué)
參考文獻(xiàn)

編輯推薦

《顆粒物質(zhì)物理與力學(xué)》是跨學(xué)科、跨領(lǐng)域的專家孫其誠(chéng)、厚美瑛和金峰等人共同努力編寫而成，既有物理學(xué)家、又有力學(xué)家和巖土力學(xué)專家，既介紹了當(dāng)前顆粒物質(zhì)統(tǒng)計(jì)力學(xué)框架的研究，介紹了顆粒固體的GSH理論、顆粒流體的流變方程和顆粒氣體的動(dòng)理學(xué)理論，又介紹了顆粒固體-顆粒液體間的轉(zhuǎn)變、顆粒液體-顆粒氣體間的轉(zhuǎn)變，還以風(fēng)沙運(yùn)動(dòng)為典型，介紹了自然界中顆粒物質(zhì)優(yōu)美的沙波紋和沙丘等形態(tài)。全書的學(xué)術(shù)觀點(diǎn)一致，自始至終都重視顆粒體系的多尺度結(jié)構(gòu)，特別是力鏈結(jié)構(gòu)的作用，編者們認(rèn)為這可能是顆粒體系基本結(jié)構(gòu)特征。在撰寫過程中，編者們把一些相關(guān)理論和模型總結(jié)成表格，進(jìn)行對(duì)比，也便于讀者查閱使用。

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無

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