基于界面连续逾渗模型的复杂颗粒材料弹性性能研究

结题报告
项目介绍
AI项目解读

基本信息

  • 批准号:
    11772120
  • 项目类别:
    面上项目
  • 资助金额:
    56.0万
  • 负责人:
  • 依托单位:
  • 学科分类:
    A0813.计算固体力学
  • 结题年份:
    2021
  • 批准年份:
    2017
  • 项目状态:
    已结题
  • 起止时间:
    2018-01-01 至2021-12-31

项目摘要

Granular materials have been broadly applied in a variety of national economic systems. Elastic properties of granular materials can significantly affect their bearing capacities and service life in practical engineering applications. Meanwhile, percolation of interfaces interacted by particles plays an important role in the prediction of elastic properties of granular materials. However, it is a huge challenge to characterize quantitatively percolation of interfaces around complex convex particles through the existing experimental technologies and analytical methods. Also, there is no a multi-scale correlative scheme explicitly incorporating interfacial percolation characteristics and components into the prediction of elastic properties of granular materials with complex convex reinforced particles. The ambition of this proposal is to firstly develop a three-phase composite structure of granular materials that is composed of complex convex particles of a high packing density, interfaces with a constant dimension surrounding particles and homogeneous matrix, on the basis of an optimized discrete element method and a relaxation iteration scheme. By virtue of some relevant theories like statistical mechanics and numerical simulations, the interfacial excluded volume and the interfacial percolation characteristics such as the percolation threshold, percolation transition width and correlation-length critical exponent are quantitatively characterized, respectively. Then, a multi-scale correlative framework that incorporates the derived interfacial percolation characteristics and components to accurately predict the elastic moduli of granular materials is proposed by using some technological means like mesomechanics of composites, the coupling model of the discrete element method and the finite element model, and the random walk scheme. Moreover, in order to test the reliability of the proposed multi-scale framework, normal concrete compression experiments and its microstructure measurement are further investigated. It is expected that this project will provide an efficient analytical model and method for custom designing granular materials and evaluating their service life by optimizing components of materials to regulate interfacial microstructures so that to enhancing the elastic properties of granular materials.
颗粒材料弹性性能关系到其在工程应用中的承载能力和服役寿命,颗粒间相互作用引起的界面逾渗对颗粒材料弹性性能具有重要影响。然而现有的试验手段和分析方法难以定量表征复杂凸形颗粒周围界面逾渗,且尚未阐明界面逾渗特征与颗粒材料弹性性能之间的定量关联机制。本项目拟通过离散元和松弛迭代方法发展高密度复杂凸形颗粒及其周围界面组成的颗粒材料三相复合结构模型;借助统计力学等相关理论和数值模拟手段定量表征复杂凸形颗粒周围界面排斥体积、界面逾渗阈值、逾渗相变宽度和逾渗相关长度指数;采用复合材料细观力学、离散元与有限元耦合、以及随机游走机制等方法构建颗粒材料弹性模量与界面逾渗特征及其组成关联的多尺度模型;并开展混凝土受压试验与微观测试,分析关联模型的有效性。研究目标是通过优化材料组成来调控界面微结构,达到改善颗粒材料弹性性能的目的,为颗粒材料的“定制设计”及其在工程应用中服役寿命的预测提供有效的分析模型和方法。

结项摘要

随着一带一路、海洋强国等国家重大战略的实施,颗粒材料空前规模地应用于各种环境条件下的结构工程中,颗粒材料的宏观弹性性能决定了工程的服役寿命。在微观尺度上,颗粒材料是由复杂形状的多分散颗粒随机堆积组成。但由于实验测量和球形颗粒堆积结构的局限性,无法定量表征具有复杂颗粒形状的微观结构与弹性性能之间的关联机制。本项目通过数值模拟、理论分析和试验研究相结合的技术方案,自主开发了单粒径和多粒径的两相和三相椭球、复杂凸多面体颗粒随机有序堆积模型、离散元模型、松弛迭代紧密堆积模型,提出了复杂形状颗粒周围界面的数值方法和理论模型,明确了颗粒组成与界面体积分数之间的关联机制;建立了圆柱形硬核-软壳三相结构的排斥体积模型,准确的预测了多面体和椭球形软化颗粒逾渗阈值、逾渗相变宽度和逾渗相关长度指数,揭示了颗粒材料有效弹性性能与微结构的定量关联机制。项目负责人在四年的执行周期内以第一作者(含通讯作者)共计发表25 篇学术论文、其中被SCI 检索25 篇(JCR 一区22 篇),包括业内国际权威期刊:Carbon、Composites Part B: Engineering、 International Journal of Engineering Science、Composites Science and Technology、Materials & Design、Cement and Concrete Composites、Computer Methods in Applied Mechanics and Engineering、Soft Matter、Physical Review E、Computers and Structures 等,一篇论文被编辑入选为Soft Matter主封面文章。参加国内外学术会议11 次、其中邀请报告4 次;申请发明专利10项、授权6 项。获中国建筑材料联合会•中国硅酸盐学会建筑材料科学技术奖一等奖(2020年)、二等奖(2019年)各一项、获中国水利水电科学研究院科学技术奖二等奖(2021年)、获中国公路学会科学技术奖一等奖(2021年)、获江苏省研究生教育改革成果奖、河海大学教学成果奖、大禹水利科学奖各一项。

项目成果

期刊论文数量(26)
专著数量(0)
科研奖励数量(5)
会议论文数量(0)
专利数量(6)
Absorbing-active transition in a multi-cellular system regulated by a dynamic force network
由动态力网络调节的多细胞系统中的吸收-活性转变
  • DOI:
    10.1039/c9sm01244c
  • 发表时间:
    2019
  • 期刊:
    Soft Matter
  • 影响因子:
    3.4
  • 作者:
    Nan Hanqing;Zheng Yu;Lin Yiheng H.;Chen Shaohua;Eddy Christopher Z.;Tian Jianxiang;Xu Wenxiang;Sun Bo;Jiao Yang
  • 通讯作者:
    Jiao Yang
Evolution of microstructures of cement paste via continuous-based hydration model of non-spherical cement particles
基于非球形水泥颗粒连续水化模型的水泥浆体微观结构演化
  • DOI:
    10.1016/j.compositesb.2020.107795
  • 发表时间:
    2020-03
  • 期刊:
    Composites Part B: Engineering
  • 影响因子:
    --
  • 作者:
    Zhu Zhigang;Xu Wenxiang;Chen Huisu;Tan Zhijun
  • 通讯作者:
    Tan Zhijun
Mesoscopic Insight into the Damage Mechanism for the Static Preload Effect on Dynamic Tensile Strength of Concrete
细观洞察静态预紧力对混凝土动态抗拉强度影响的损伤机制
  • DOI:
    10.1061/(asce)mt.1943-5533.0002602
  • 发表时间:
    2018
  • 期刊:
    Journal of Materials in Civil Engineering
  • 影响因子:
    3.2
  • 作者:
    Ma Huaifa;Xu Wenxiang;Zhou Jikai;Chen Houqun
  • 通讯作者:
    Chen Houqun
Deformation analysis of shear band in granular materials via a robust plane shear test and numerical simulation
通过稳健的平面剪切试验和数值模拟对颗粒材料中的剪切带进行变形分析
  • DOI:
    10.1016/j.powtec.2017.10.027
  • 发表时间:
    2018
  • 期刊:
    Powder Technology
  • 影响因子:
    5.2
  • 作者:
    Lei Dong;Huang Jinfeng;Xu Wenxiang;Wang Wenchao;Zhang Pei
  • 通讯作者:
    Zhang Pei
Fractional creep and relaxation models of viscoelastic materials via a non-Newtonian time-varying viscosity: physical interpretation
通过非牛顿时变粘度的粘弹性材料的分数蠕变和松弛模型:物理解释
  • DOI:
    10.1016/j.mechmat.2019.103222
  • 发表时间:
    2020
  • 期刊:
    Mechanics of Materials
  • 影响因子:
    3.9
  • 作者:
    Su Xianglong;Xu Wenxiang;Chen Wen;Yang Haixia
  • 通讯作者:
    Yang Haixia

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其他文献

基于分形导数对非牛顿流体层流的数值研究
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    --
  • 发表时间:
    2017
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  • 作者:
    苏祥龙;许文祥;陈文
  • 通讯作者:
    陈文
An overlapping detection algorithm for random sequential packing of elliptical particles
椭圆粒子随机顺序堆积的重叠检测算法
  • DOI:
    10.1016/j.physa.2011.02.048
  • 发表时间:
    2011-07
  • 期刊:
    Physica A
  • 影响因子:
    --
  • 作者:
    许文祥;吕忠;陈惠苏
  • 通讯作者:
    陈惠苏
基底温度对c-Si(100)面生长a-Si∶H薄膜结构特性影响的分子动力学模拟研究
  • DOI:
    --
  • 发表时间:
    2014
  • 期刊:
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  • 影响因子:
    --
  • 作者:
    许文祥;吴小元;黄海宾;周浪
  • 通讯作者:
    周浪
软物质系颗粒材料组成、微结构与传输性能之间关联建模综述
  • DOI:
    --
  • 发表时间:
    2016
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    物理学报
  • 影响因子:
    --
  • 作者:
    许文祥;孙洪广;陈文;陈惠苏
  • 通讯作者:
    陈惠苏

其他文献

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密实凸颗粒周围中间相交互作用下颗粒材料渗透性能的细观力学研究
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课题项目:调控A型流感病毒诱导IFN-β表达的机制研究

AI项目摘要:

本研究聚焦于TRIM2蛋白在A型流感病毒诱导的IFN-β表达中的调控机制。A型流感病毒是全球性健康问题,其感染可导致严重的呼吸道疾病。IFN-β作为关键的抗病毒因子,其表达水平对抗病毒防御至关重要。然而,TRIM2如何调控IFN-β的表达尚未明确。本研究假设TRIM2通过与病毒RNA或宿主因子相互作用,影响IFN-β的产生。我们将采用分子生物学、细胞生物学和免疫学方法,探索TRIM2与A型流感病毒诱导IFN-β表达的关系。预期结果将揭示TRIM2在抗病毒免疫反应中的作用,为开发新的抗病毒策略提供理论基础。该研究对理解宿主抗病毒机制具有重要科学意义,并可能对临床治疗流感病毒感染提供新的视角。

AI项目思路:

科学问题:TRIM2如何调控A型流感病毒诱导的IFN-β表达?
前期研究:已有研究表明TRIM2参与抗病毒反应,但其具体机制尚不明确。
研究创新点:本研究将深入探讨TRIM2在IFN-β表达中的直接作用机制。
技术路线:包括病毒学、分子生物学、细胞培养和免疫检测技术。
关键技术:TRIM2与病毒RNA的相互作用分析,IFN-β启动子活性检测。
实验模型:使用A型流感病毒感染的细胞模型进行研究。

AI技术路线图

        graph TD
          A[研究起始] --> B[文献回顾与假设提出]
          B --> C[实验设计与方法学准备]
          C --> D[A型流感病毒感染模型建立]
          D --> E[TRIM2与病毒RNA相互作用分析]
          E --> F[TRIM2对IFN-β启动子活性的影响]
          F --> G[IFN-β表达水平测定]
          G --> H[TRIM2功能丧失与获得研究]
          H --> I[数据收集与分析]
          I --> J[结果解释与科学验证]
          J --> K[研究结论与未来方向]
          K --> L[研究结束]
      
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