颗粒材料正交各向异性的细观组构定量测试与分析方法
【技术领域】
[0001] 本发明涉及颗粒材料计算力学和本构模拟，尤其是一种颗粒材料正交各向异性的 细观组构定量测试与分析方法。
【背景技术】
[0002] Gillott(1970)以及Yoshinaka与Kazama(1973)用X光进行测量。Moegenstern 和Tchalenko(1967)采用了光学的方法来研宄粘土的颗粒朝向。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。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，以圆形和椭圆型截面 的金属棒状材料组成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 研宄。ODA通过假设对公式进行了简化，在不考虑分支长度和配位数对颗粒组构张量的影 响，只考虑颗粒方向的影响下，得到了简化的颗粒组构张量Fy
[0003] 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，能够描述颗粒材料的横观各向异性组 构，无法描述正交各向异性。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，因此迫切需要提出一套颗粒材料的正交各向异性对材料的宏观力学特性的定量测 试与分析方法，该方法方便并具有普适性。
【发明内容】
[0004] 本发明的目的是提供一种新的颗粒材料正交各向异性的细观组构定量测试与分 析方法，该方法能够定量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。
[0005] 一种颗粒材料正交各向异性的细观组构定量测试与分析方法，其特别之处在于， 包括如下步骤：
[0006] (1)颗粒材料初始内结构的固化；
[0007] (2)对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；
[0008] (3)用扫描电镜观察分析切片表面的细观结构，对颗粒材料正交各向异性的细观 组构进行定量测试与分析。
[0009] 步骤（3)中对颗粒材料正交各向异性的细观组构进行定量测试与分析，具体是指 采用反映颗粒朝向的几何统计参数来表示砂样的正交各向异性，其定义为：
[0010] ⑴、F1-F3S间
【主权项】
1. 一种颗粒材料正交各向异性的细观组构定量测试与分析方法，其特征在于，包括如 下步骤： (1) 颗粒材料初始内结构的固化； (2) 对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，对颗粒材料正交各向异性的细观组构 进行定量测试与分析。
2. 如权利要求1所述的颗粒材料正交各向异性的细观组构定量测试与分析方法，其特 征在于： 步骤（3)中对颗粒材料正交各向异性的细观组构进行定量测试与分析，具体是指采用 反映颗粒朝向的几何统计参数来表示砂样的正交各向异性，其定义为： ⑴^^匕空间
式中q00是单元体中第k个颗粒的颗粒长轴在垂直方向的投影与F1轴的夹角；α &)是 第k个颗粒的颗粒长轴在水平面上投影与F3轴的夹角； Fi (i = 1，2, 3)为组构的三个正交主方向；aji = 1，2, 3)为三个正交面上的各向异性 幅值参量，其理论取值范围是〇到1，当％= O时，颗粒的朝向均匀分布，试样内结构各向同 性；当ai= 1时，颗粒的朝向完全集中于水平面呈各向异性，N代表检测单元体内的所有颗 粒数量； 根据上述式（1)，式（2)和式（3)分别确定出三个平面的细观各向异性幅值参量，然后 用其中的任意两个参量就可以完全确定一个正交各向异性组构张量，即可定义三个不同条 件下的颗粒材料正交各向异性细观组构张量。
3. 如权利要求2所述的颗粒材料正交各向异性的细观组构定量测试与分析方法，其特 征在于：定义三个不同条件下的颗粒材料正交各向异性细观组构张量即F ij具体如下： (1)、用？143与F ^F2平面的参量确定的组构张量1
(2)、Fi-匕与F 2-F3平面的参量确定的组构张量2
(3)、Fi-匕与F 2-F3平面的参量确定的组构张量3
式⑴和式⑵中，当a (k)= 31/4, sina (k)= cosa(k)，则ai= a2，水平方向两个垂 直面的幅值参量相等，那么材料表现为横观各向同性，式（6)退化为横观各向同性三维组 构形式：
式中a为横观各向同性幅值参量，其取值范围仍然是[0, 1]。
4.如权利要求1所述的颗粒材料正交各向异性的细观组构定量测试与分析方法，其特 征在于：步骤（1)中的固化具体是指施加15~25kpa的气压，将环氧树脂缓慢注入颗粒材 料试样内，再养护颗粒材料试样使其完全固化。
【专利摘要】本发明涉及颗粒材料计算力学和本构模拟，尤其是一种颗粒材料正交各向异性的细观组构定量测试与分析方法。其特点是，包括如下步骤：(1)颗粒材料初始内结构的固化；(2)对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，对颗粒材料正交各向异性的细观组构进行定量测试与分析。经过试用证明，采用上述方法，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，在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，有利于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等复杂条件下的力学行为。
【IPC分类】G01N15-00
【公开号】CN104764679
【申请号】CN201510168776
【发明人】李学丰, 刘金锋, 马文国, 胡钢墩
【申请人】宁夏大学
【公开日】2015年7月8日
【申请日】2015年4月10日