颗粒材料是一种复杂的多体相互作用体系,由大量离散的颗粒和其周围的自由体积组成.虽然颗粒的自由体积与颗粒材料的力学性能和变形特征的相关性已得到证实,但是由于表征上的困难,目前对非球形颗粒体系的局部自由体积的认识还不够充分.本文采用连续离散耦合分析方法进行了不同主轴长度的椭球颗粒试样的三轴剪切数值模拟,基于Set Voronoi算法对剪切过程中的颗粒试样进行了Voronoi元胞分割,分析了颗粒试验在剪切过程中自由体积的统计分布特性和演化规律,研究了颗粒形态对自由体积的影响.剪切过程中Voronoi元胞的各向异性逐渐增强,且各项异性增强程度随颗粒非球度的增加而增大,表明非球颗粒在剪切过程中经历更加强烈的重排列.具有不同非球度的椭球颗粒体系的局部孔隙比均服从k-Γ分布,且这个分布仅与颗粒体系的全局孔隙比相关,不受颗粒形态和剪切状态的影响.局部孔隙比的波动呈现非对称拉普拉斯分布,非对称参数刻画了局部自由体积收缩和膨胀的博弈,其与全局孔隙比呈线性关系.
椭球颗粒 Voronoi元胞 自由体积 各向异性 局部孔隙比 局部孔隙比波动