一种用于动态粒子破碎过程中机制转变的熵-效率-能量框架

《Powder Technology》：An entropy-efficiency-energy framework for mechanism transitions in dynamic particle fragmentation

熵-效率-能量框架揭示形状-湿度耦合作用下颗粒动态破碎的三阶段行为（可逆耗散、不可逆破碎、过渡重构），通过SHPB实验与形态学描述结合马尔可夫模型，量化能量耗散与结构演化关联，为工程冲击破碎提供物理诠释与预测工具。

　　

盛江|孔伟文|徐莉

中国河海大学国家水灾防治重点实验室，南京 210024

摘要

颗粒在撞击下的动态破碎过程源于颗粒形态、水分和能量耗散之间的非线性相互作用。尽管高应变率实验和数值模拟提高了对整体响应的理解，但它们对微观结构重组和能量传递的耦合演化仍提供有限的见解。为了解决这一局限性，本研究提出了一个无量纲的熵-效率-能量框架，将能量耗散与结构演化和无序生成联系起来。通过对不同形状和饱和度水平的颗粒组装体进行Split Hopkinson Pressure Bar (SHPB) 实验，并结合形态描述符和马尔可夫转换模型进行分析，发现了与撞击载荷下不同压缩阶段相关的三种不同的破碎行为：可逆耗散型、不可逆破碎型和过渡重组型。角状颗粒表现出渐进的熵增长和永久性断裂；圆形颗粒主要通过可逆过程耗散能量；而混合形状系统则表现出阶段依赖的重组，这种重组主要由颗粒形态决定，并受水分影响。轨迹弯曲角度和方向性断裂率成为破碎转变的敏感指标。该框架通过将能量耗散与形状-水分耦合下的结构重组联系起来，从而实现了对动态破碎过程的物理解释和预测分类。

引言

在动态载荷条件下，颗粒破碎是一个常见现象，在采矿、地震学和高速压实等领域广泛观察到[1]。它是由多尺度、非平衡相互作用引起的，如裂纹产生、形态变化和能量重新分布[2],[3]。这些过程具有耗散性且依赖于路径，局部不稳定性和动态响应会影响颗粒系统的结构演化[4],[5]。

当颗粒形状与水分相互作用时，动态破碎现象变得特别难以解释，因为这种耦合强烈影响能量耗散、无序生成和断裂模式[6]。高应变率实验（如Split Hopkinson Pressure Bar实验）能够提供关于撞击过程中整体应力-应变行为和能量耗散的宝贵数据[7]。然而，这些实验很少能捕捉到相关的微观结构演化，例如接触重组和力链重新分布[8]。这些微观结构过程通常发生在实验难以捕捉的空间和时间尺度上，尤其是在毫秒级载荷下[9]。因此，吸收的能量与内部结构转变之间的联系仍然了解不足，这限制了对断裂过程的物理解释。数值模拟，特别是使用离散元方法的模拟，已被用来解决这一局限性，因为它们可以追踪颗粒尺度上的过程，如力重新分布、裂纹产生和各向异性结构的形成[10]。这些方法为颗粒形状和水分对破碎过程的影响提供了有用的见解[11]。然而，它们依赖于简化的几何形状、理想化的接触定律和参数化的流体-固体相互作用，这限制了它们的代表性。在计算效率与物理细节之间取得平衡的需求可能导致结果偏差，因此在对自然或工程尺度系统应用模拟结果时需要谨慎[12]。尽管取得了实质性进展，但对于形状和水分依赖的颗粒系统中动态断裂的物理理解仍然有限。

为了填补这一空白，本研究提出了一个新颖的熵-效率-能量框架，通过随机建模将测量的能量耗散与量化的形态描述符联系起来。该框架建立了能量耗散、结构演化和无序生成之间的统一联系，从而实现对动态破碎过程的更深入的物理解释。此外，它还为不同载荷和环境条件下的预测性破碎机制提供了定量基础。通过针对不同形状和饱和度水平的颗粒组装体进行的高应变率实验验证了该框架的有效性，证明了其捕捉形态和水分耦合作用的能力。

部分内容

样品制备

选择透明钠钙玻璃作为测试颗粒材料（密度2500 Kg/m³）。为确保一致性，将颗粒干筛至425–600 μm的狭窄尺寸范围。准备了三种目标饱和度水平：干燥（0%）、部分饱和（30%）和完全饱和（>98%），以研究水分对动态破碎的影响。干燥样品在105°C下烘烤24小时以去除残留水分。对于部分饱和样品，通过微量移液器精确添加去离子水

通过聚类分析结构状态演化

为了同时捕捉动态破碎过程中的颗粒尺寸和形态变化，应用KMeans聚类算法对包括等效直径（D）、长度（EL）、扁平度（FL）和球形度（SP）在内的标准化数据进行聚类。最佳聚类数量基于最大轮廓分数确定，通过平衡聚类内凝聚力和聚类间分离来实现。如图2(a)所示，轮廓分析是在结合所有测试条件的汇总数据集上进行的

结论

本研究开发了一个统一的熵-效率-能量框架，用于物理解释在形状和水分共同作用下的动态颗粒破碎现象。这项工作的新颖之处在于建立了一个无量纲的熵-效率-能量框架，直接将吸收的机械能与颗粒尺度的结构演化和无序生成联系起来。这使得可以从实验可测量的数据中识别和解释破碎机制

CRediT作者贡献声明

盛江：撰写——原始草稿、验证、项目管理、方法论、研究、资金获取、正式分析、概念化。孔伟文：撰写——审稿与编辑、方法论、研究。徐莉：撰写——审稿与编辑、验证。

利益冲突声明

作者声明他们没有已知的可能会影响本文所述工作的竞争性财务利益或个人关系。

致谢

本工作得到了国家自然科学基金（项目编号：52479098）的支持。作者感谢悉尼大学澳大利亚显微镜与微分析中心的澳大利亚显微镜与微分析研究设施以及河海大学国家水灾防治重点实验室提供的设施和科学和技术支持。