课题基金 / 基金详情

干沙类颗粒材料的跨尺度力学性质研究

批准号:
11932001
项目类别:
重点项目
资助金额:
320.0 万元
负责人:
刘才山
依托单位:
学科分类:
多体与高维系统非线性动力学
结题年份:
2024
批准年份:
2019
项目状态:
已结题
项目参与者:
刘才山

项目摘要

结项摘要

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中文摘要
颗粒材料广泛存在于自然界和人类的生产和生活中。如何表征颗粒材料的力学性能是力学学科重要的前沿基础科学问题。同时,我国探月工程中的月壤钻取采样与干沙类颗粒材料的力学性能密切相关。本项目以建立干沙类颗粒材料多尺度模型为科学目标,发展连续介质理论框架下颗粒材料的数值计算方法和颗粒流的实验观测技术。面向我国重大工程项目需求,研究与月壤采样密切相关的螺旋钻进动力学,揭示运动学条件、土壤力学性质和微重力环境等因素对颗粒输运性能的作用机理。本项目的研究成果将不仅丰富颗粒材料力学的理论体系,而且将为我国重大航天工程项目提供有力的技术支撑。
英文摘要
Granular matter is ubiquitous in nature and plays an important role to human society. How to characterize its mechanical properties is a fundamental issue at the frontier of mechanics discipline. Meanwhile, the use of drilling tools to sample lunar soil, which is a core task in the next lunar exploration of China, is also closely related to the mechanical properties of dry granular materials. The goals of this project are to establish the multi-scale model of dry granular materials, to study the numerical algorithm in the framework of continuum mechanics, and to develop the experimental techniques for observing the flow motion of dry granular materials. On the other hand, this project will study the drilling dynamics of a helix auger penetrating into lunar soil to meet the requirements of China lunar exploration project. The drilling process is concerned with the transport behavior of dry granular materials, which is significantly influenced by auger geometry, tool movement, soil mechanical properties, and space environment. This study will greatly enrich the theory of granular mechanics, and will provide an important technical support for China’s aerospace projects.
本项目重点研究干沙类颗粒材料的跨尺度力学性质,通过实验、仿真和理论相结合的方法,深入探讨散体介质的介观相互作用机制、本构力学特征、耦合力学行为、高性能计算方法等关键领域,并将研究成果应用于航天工程等重要领域。.1..颗粒流本构模型理论.基于散体塑性模型和统计力学理论推导具有宾汉姆流体形式的颗粒流本构,表征了颗粒流剪应力与内摩擦角和环境应力的显示关系,描述了颗粒物质流动过程中的屈服应力和塑性黏度。系统阐述了颗粒系统黏性的来源、机制及宏观动力学特征,深化了对颗粒物质本构力学特征的理解。.2..刚散耦合动力学基本理论.建立了以颗粒流本构、阻力模型和动态Janssen效应三个基本原理为核心的刚散耦合动力学基本理论,系统地描述了散体颗粒系统在刚体系统扰动下的流变特征、阻力响应以及非局部特性,理论有效揭示了刊登在《Physical Review Letters》上的刚体扭矩分岔现象。.3..颗粒物质高性能计算方法.通过建立颗粒物质-柔性多体系统耦合动力学模型,引进CPU-GPU异构并行计算模式,研究了耦合系统串行异步耦合动力学算法,发展了颗粒系统的离散元高性能计算方法,尤其适用于计算大规模颗粒系统接触碰撞问题,极大地拓宽了离散元法在工业级颗粒系统模拟中的应用范围。.4..颗粒接触碰撞模型.探讨了散体系统中接触模型的能量耗散机制及其对宏观参数的影响,提出了新的阻尼因子和连续弹塑性接触力模型,揭示了阻尼因子的物理含义。研究识别了碰撞过程中的线性与非线性行为,并引入迟滞阻尼因子以描述不同接触阶段的能量损耗。此外,项目还分析了颗粒系统的黏性行为及其与接触力模型的关系,并在水下碰撞情境中发展了一种新的流体阻尼因子,为液-固与固-固耦合的接触力模型提供了理论支持。.5..研究成果在航天工程的应用.针对我国探月工程月壤钻采任务,发展了双通道螺旋采样理论,探明了采样机制,给出了相应动力学模型;针对载人登月月球车设计,提出了全新的轮壤接触模型;基于所提出的散体并行计算和散柔耦合高性能算法对月球车行驶、月面着陆、小行星采样等任务进行了仿真计算,提供了重要技术指导。考虑机器人与地面的接触摩擦特性,建立了大变形软体机器人的动力学模型,在星面机器人研发等领域有重要应用价值。.本项目的研究不仅填补了相关领域的理论空白,还为未来的科研与工程应用奠定了坚实基础,推动了颗粒物理学与工程科学的交叉发展。
胶囊窥镜的摩擦滑动动力学研究
  • 批准号:
    12111530108
  • 项目类别:
    国际(地区)合作与交流项目
  • 资助金额:
    10万元
  • 批准年份:
    2021
  • 负责人:
    刘才山
  • 依托单位:
胶囊窥镜的摩擦滑动动力学研究
  • 批准号:
    --
  • 项目类别:
    国际(地区)合作与交流项目
  • 资助金额:
    --
  • 批准年份:
    2020
  • 负责人:
    刘才山
  • 依托单位:
碰撞接触中的尺度缩放效应
  • 批准号:
    11472011
  • 项目类别:
    面上项目
  • 资助金额:
    95.0万元
  • 批准年份:
    2014
  • 负责人:
    刘才山
  • 依托单位:
复杂力学系统跨尺度耦合动力学问题研究
  • 批准号:
    11132001
  • 项目类别:
    重点项目
  • 资助金额:
    280.0万元
  • 批准年份:
    2011
  • 负责人:
    刘才山
  • 依托单位:
国内基金
海外基金