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| 編輯推薦： |
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本书入选“清华大学优秀博士学位论文丛书”，分别从物理角度与工程角度对颗粒介质展开研究，兼具科学性与实用性。
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| 內容簡介： |
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颗粒材料是由大量离散颗粒构成的无序体系，在工业生产与自然界中广泛存在，在外界作用下，可以类似固体保持稳定，也可类似流体发生流动。本书从离散角度尝试分析颗粒材料复杂力学行为的物理本征，探究其流态转变的结构起源；从工程角度，将颗粒材料连续化处理，研究适合颗粒材料大变形问题的数值方法与其程序构建。颗粒材料是由大量离散颗粒构成的无序体系，在工业生产与自然界中广泛存在，在外界作用下，可以类似固体保持稳定，也可类似流体发生流动。本书从离散角度尝试分析颗粒材料复杂力学行为的物理本征，探究其流态转变的结构起源；从工程角度，将颗粒材料连续化处理，研究适合颗粒材料大变形问题的数值方法与其程序构建。
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| 關於作者： |
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刘传奇，男，普林斯顿大学土木与环境系博士后，先后毕业于中国石油大学(华东)工程力学系（学士、硕士）与清华大学水利系（博士），已发表论文十余篇，曾获山东省优秀毕业生、北京市优秀毕业生等称号。主要研究领域包括颗粒材料多相/多尺度分析，岩土工程中的数值方法（无网格法、扩展有限元法等），侧重于理解与揭示颗粒材料复杂力学行为的物理本征，基于完备的数学表达，探讨与拓展岩土数值方法的适用性。
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| 目錄：
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第1章 绪论 1
1.1 研究问题与意义 2
1.2 研究现状 3
1.2.1 与颗粒流态相关的理论基础 3
1.2.2 颗粒材料介观结构 8
1.2.3 颗粒介质模拟方法 15
1.3 主要研究内容 18
第2章 颗粒流介尺度分析 19
2.1 离散元算法与流动模型的构建 20
2.1.1 运动控制与接触本构 20
2.1.2 流动模型的构建 22
2.1.3 数值模型验证 24
2.2 不同流态下动力学参数对比 28
2.2.1 力链网络 28
2.2.2 速度分布 30
2.2.3 能量特性 31
2.3 特定流态下剪切过程结构量的时空演化 34
2.3.1 剖分格式与研究过程 34
2.3.2 拓扑与几何结构量 37
2.3.3 多边对称结构量 40
2.3.4 结构单元概念的提出 44
2.4 本章小结 46
第3章 物质点法算法核心 47
3.1 控制方程 48
3.2 广义插值物质点法 50
3.2.1 离散格式 51
3.2.2 数值噪声 53
3.2.3 权函数的构建 55
3.3 接触算法 56
3.3.1 基本原理 56
3.3.2 算法改进 58
3.3.3 接触算例与分析 59
3.4 物质点信息更新 60
3.4.1 位移与动量更新 60
3.4.2 应变与应力更新 63
3.4.3 求解流程 63
3.5 本章小结 67
第4章 物质点法在单相颗粒介质中的应用 68
4.1 物质点法模拟黏质边坡滑动与颗粒介质流动 68
4.1.1 本构关系 68
4.1.2 黏质边坡滑动 70
4.1.3 无黏颗粒流动 72
4.2 物质点法与块体离散元法模拟颗粒冲击 74
4.2.1 颗粒冲击木块的物理模型与物质点法模拟结果 75
4.2.2 可变形块体离散元法 77
4.2.3 块体离散元法接触算法的验证 79
4.2.4 块体离散元法与物质点法耦合模拟冲击问题 82
4.3 物质点法与颗粒离散元法多尺度建模 84
4.3.1 基本框架 86
4.3.2 多尺度建模关键点 87
4.3.3 沙堆倒塌算例 90
4.3.4 物质点法与离散元法多尺度建模方法的讨论 92
4.4 本章小结 94
第5章 物质点法在两相颗粒介质中的应用 95
5.1 多孔介质理论 95
5.1.1 基本概念 95
5.1.2 控制方程 99
5.2 等温过程下两相物质点法理论 102
5.2.1 基本假定与符号约定 103
5.2.2 控制方程 104
5.2.3 空间离散格式 105
5.2.4 时间迭代格式 106
5.2.5 主要物理量更新格式 108
5.2.6 编程步骤 110
5.2.7 一维固结理论验证 111
5.3 饱和沙堆滑动的物理实验 113
5.4 饱和沙堆滑动的模拟结果 115
5.5 本章小结 119
第6章 结论与展望 120
参考文献 123
附录 A 自由基剖分平面证明与性质 137
附录 B 两相物质点法空间离散格式的推导 140
致谢 144
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| 內容試閱：
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颗粒材料是由大量离散颗粒构成的无序体系，在工业生产与自然界中广泛存在，在外界作用下，可以类似固体保持稳定，也可类似流体发生流动。本书以碎屑流灾害为工程背景，鉴于预测真实坡体固--液转变十分困难，从物理角度类比工程滑坡的产生机理，构建颗粒离散流动体系，对比不同流态下的动力学参数，探究颗粒材料类固态--类液态转变的结构根源；从工程角度，将颗粒介质进行连续化处理，基于物质点法发展了适合颗粒介质大变形的模拟平台，分别模拟了黏质边坡滑动、无黏颗粒流动、颗粒流动冲击、饱和沙堆滑动等过程，主要的内容与创新点包括：
（1）构建固定压力条件下的平板剪切数值模型，以宏观连续本构为模型验证，对比不同流态下的力链网络、速度分布、能量特征，以自由基剖分为工具，研究了存在宏观剪切带的特定流态下，结构在剪切过程中的时空演化，发现五边对称是结构特征量，低五边对称区与剪切带相关联。
（2）基于物质点法，采用弹塑性本构，模拟颗粒流动过程，对模型参数进行试验反演。构建了颗粒流动对垂直堆积的三木块冲击的物理实验，类比灾害对建筑物冲击过程，考虑物质点法接触算法难以处理静止接触与多体接触问题，采用物质点法与块体离散元法耦合模拟颗粒流动冲击过程，较好地再现了试验中木块翻转现象，块体间的接触检测通过顶点缩进法实现。
（3）摒弃宏观唯象本构，构建了物质点法与颗粒离散元法的多尺度建模框架，宏观采用物质点法计算，每个物质点对应一个颗粒集合构成的代表性体积元，物质点处的宏观应变通过边界条件施加到体积元中，基于离散元计算，反馈接触应力，再进行下一步计算。以沙堆倒塌为基本算例，将宏、细观研究进行关联，分析了宏观行为的微观机理。
（4）采用两套物质点分别模拟固、液两相，依托混合物理论，采用考虑惯性力的达西定律与混合物动量守恒为控制方程，推导空间离散格式，发展了两相物质点法算法，构建了定水头条件下饱和沙堆滑动的物理模型，对比试验结果与数模结果，发现数模中剪切带位置与试验中滑动面位置基本吻合。
关键词：颗粒材料；平板剪切；结构分析；物质点法
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