顆粒材料理論的工程化運用

高端裝備制造

顆粒材料廣泛存在于自然界和人類生活和生產活動中。對其力學性質的研究不僅是當前力學學科的重要基礎科學問題之一，也與諸多工程科學技術的發展密切相關，包括沙漠環境下的仿生機器人技術，沖擊防護工程，地質災害防護等。圍繞我國探月工程重大項目需求，研究課題組近年來系統開展了與月壤采樣密切相關的顆粒物質動態力學性質及其螺旋輸動力學行為等方面的研究。研究成果不僅為我國航天工程實現提供了可靠的技術保障，而且在顆粒材料力學理論研究方面取得了一些重要基礎性成果。

該項研究不僅在顆粒材料理論研究方面具有重要的理論價值，而且已應用到探月工程月壤采樣鉆采工藝規程設計當中。

課題組發表在NatureCommunications上的研究工作證實了顆粒材料具有復雜流體的典型特征。通過準靜態壓入實驗，定量表征了介入體在顆粒材料中的阻力-深度特征曲線。并從理論上了證實：通過引入一個與顆粒材料內摩擦角相關聯的比例系數，流體力學中的經典阿基米德定律能夠用來描述顆粒流的準靜態阻力。即介入體準靜態運動時所受阻力正比于顆粒密度和排開的材料體積。修正后的阿基米德定律中的比例系數是顆粒材料內摩擦角的強非線性函數。該理論結果不僅能夠被課題組自身的實驗所證實，而且能夠被已有文獻的實驗結果所驗證。