颗粒物质是由大量离散固体颗粒相互作用形成的复杂多体系统,按照其运动状态可以分为颗粒气体、颗粒液体和颗粒固体。其中,密集颗粒系统可以表现出类似固体和流体的双重力学特性,并在一定条件下发生类固-液相态转变现象。密集颗粒系统的类固-液相态转变是发展新型颗粒流润滑方式的关键,同时对优化粉末冶金、粮食输运等工业过程,以及增进对沙漠化、雪崩、山体滑坡等自然灾害形成机理的认识水平也至关重要。由于颗粒物质的非连续、非均匀和能量耗散等基本特点,密集颗粒系统的流态演变过程强烈依赖于颗粒物性、接触特征、微观结构和外部边界条件等多个物理尺度层次,目前流态转化的必要条件和内在机理尚不明确。因此,本文从颗粒系统内部微观结构的接触几何和力学特征及演变规律入手,建立不同物理尺度层次下力学特性的内在关联,探究流态变化对颗粒系统剪切流变特性的影响规律及作用机理。首先,以具有周期性边界条件的二维密集颗粒润滑系统为对象,利用离散单元法模拟了其在平面剪切作用下从初始静止到稳态流动的演变过程,详细分析了颗粒运动速度、剪切应变率和剪切膨胀量等运动特性以及宏观力学响应的瞬态演变规律,研究了流动速率对剪切流变特性的影响。研究结果表明,在流态演变过程中,颗粒系统经历传递、调整和稳定三个阶段,剪切膨胀程度和有效摩擦系数的增加均发生在传递阶段。随着流动速率的增大,颗粒系统的宏观应力-应变行为由应变软化转变为应变硬化,并且稳定流动状态时的有效摩擦系数显著增大。其次,利用应力-力-组构关系描述了颗粒系统微观结构在接触方向、法向接触力和切向接触力分布三个方面各向异性特征的瞬态演变,建立了剪切流变特性与微观结构各向异性特征之间的关联。结果表明,接触方向和切向接触力的各向异性程度在流态演变过程中均逐渐增强,并且接触方向各向异性程度的增加是以法向接触力各向异性程度的减小为代价。流动速率增大导致内部微观结构的各向异性程度增强,从而提高颗粒系统的抗剪强度。之后,依据颗粒接触力阈值将颗粒系统全集分区为强弱接触子集,利用分区接触子集各向异性的统一表征方法,分析了强弱接触子集对颗粒系统抗剪强度的作用及贡献权重。结果发现,强接触子集在决定颗粒系统的承载和抗剪强度两方面均起主导作用,而弱接触子集起到维稳作用。除了弱接触子集的法向接触力各向异性外,接触子集的其它各向异性均对颗粒系统的抗剪强度做正贡献。并且,强接触子集的法向接触力各向异性是抗剪强度的最大贡献者。随着流动速率的增大,强接触子集的承载能力进一步增强,但是其对抗剪强度的贡献权重减小,主要归因于弱接触子集各向异性对流动速率的变化更加敏感。进一步,同样采用关键接触特征分区划分研究方法,量化分析了滑动与非滑动接触子集的微观力学特性,探究了接触滑动状态的转变对颗粒系统流态演变的作用机制。从接触力的拓扑网络结构特征可以发现,非滑动接触子集包含大量长程力链,其接触子网络结构相对密集,体现出类固态特性,是颗粒系统的承载骨架;而滑动接触子集由离散的短程力链结构组成,表现出类似流体的力学行为。滑动接触子集对非滑动接触子集的分割作用会破坏颗粒系统微观结构的稳定性。滑动与非滑动接触子集在维持颗粒系统稳定性方面表现出差异性和补偿性,这是颗粒系统微观结构在崩溃与重建之间保持动态平衡的根本原因。最后,设计搭建了线性往复颗粒摩擦试验装置,利用剪切面法向压力的变化结果探究了颗粒系统的承载特性和力链结构的演变规律,确定了颗粒摩擦系数对外加载荷和滑动速度间的依赖关系。研究结果发现,在往复滑移过程中,剪切面法向压力的变化结果与力链结构松弛、坍塌、重建、稳定的演变过程相对应,且左右两侧法向压力的变化结果与滑移方向密切相关,反映出力链网络空间分布的动态变化过程。实验测得的颗粒摩擦系数与外加载荷之间存在显著的幂指数下降规律,与滑动速度之间存在较弱的线性增加关系。本文从宏观、微观和介观三个不同尺度研究了密集颗粒系统剪切流变特性的瞬态演变,研究结果强化了颗粒系统不同尺度间的内在联系,突显了关键接触特征在探究颗粒流变机理方面的重要性,拓展了颗粒物质力学研究的理论思路和实验方法,对颗粒流润滑的实际应用等具有重要指导意义。