铁尾矿砂测试砂盒改进和摩擦耗能与阻尼变化规律研究

摘要

本文从再资源化的角度探讨废弃铁矿尾矿砂颗粒作为阻尼资源在建筑领域的合理利用使其不再破坏生态环境。利用PFC3D软件模拟，深入研究了砂-盒阻尼器中铁矿尾矿砂颗粒和多元混合颗粒的摩擦耗能随众多参数（砂-盒填充率、颗粒粒径、颗粒摩擦系数、激励频率、激励振幅、砂-盒运动时间和不同材料不同粒径混合比等）变化影响规律。通过有限元软件模拟计算，获得了不同材料的砂盒应变能影响因素及变化规律，借助3D打印技术精确制备了影响因素范围相适应的不同材料不同壁厚的测试砂盒，同时通过实验对所选取不同材料制备的砂盒进行空盒和填充铁尾矿砂的阻尼测试，反复改进砂盒结构，最终确定了用于铁尾矿砂阻尼测试的砂盒结构并用标准微小钢珠验证了所改进砂盒的正确性。通过动态热机械分析仪（DMA-Q800）测试了内装铁尾矿砂的灰色树脂砂-盒复合结构的损耗因子和灰色树脂盒材料的损耗因子，借助有限元分析得到的各部分应变能，根据能量耗散原理反求得到铁矿尾矿砂颗粒的阻尼损耗因子并理论换算成铁尾矿砂颗粒的阻尼比，并基于这种理论计算与实验测试相结合得到阻尼比的方法，深入研究了不同颗粒粒径、砂盒填充密度、铁矿尾矿砂含水率、温度、振幅等参数对铁尾矿砂阻尼性能的影响规律，得到一些有价值的结论。具体研究结论如下： 1、通过对铁尾矿砂砂-盒结构的模态固有频率分析，确定了砂盒材料的刚度、厚度、弹性模量是砂盒应变能变化的主要影响因素，特别是砂盒厚度（截面尺寸），是选取砂盒材料的一个重要因素。通过模拟和实验分析对砂盒材料（白色树脂、灰色树脂和透明树脂等）与结构进行了优化，最终得到较为理想的砂盒为上壁和侧壁厚分别为0.5mm和0.3mm的灰色树脂砂盒。反复实验还发现，砂盒的制造精度控制很重要，选择3D打印是必要且有效的。 2、在砂盒水平激振条件下，通过PFC3D软件数值模拟得到砂盒颗粒阻尼器内置铁矿尾矿砂颗粒耗能与砂盒激励频率、激励振幅、砂-盒运动时间、颗粒粒径、颗粒摩擦系数、砂-盒填充率的变化规律以及阻尼器填充三种不同颗粒的耗能规律如下： （1）铁尾矿砂砂-盒阻尼器颗粒摩擦耗能随激励频率的增加而逐渐减小，即颗粒摩擦耗能与激励频率成反比。 （2）铁尾矿砂砂-盒阻尼器颗粒摩擦耗能随外界激励振幅的增大而逐步增加，即砂盒颗粒阻尼器摩擦耗能与振幅成正比例关系。 （3）尾矿砂颗粒总摩擦耗能随着砂盒颗粒阻尼器运动时间的增加而增加。 （4）随着颗粒粒径的增大，颗粒阻尼器总摩擦耗能与其成正比关系。 （5）随着颗粒摩擦系数变大，颗粒阻尼器总摩擦耗能也增大。 （6）砂盒阻尼器填充率为70%时砂-盒颗粒摩擦耗能最大。 （7）由砂盒阻尼器耗能影响因素的正交试验结果分析，得到砂-盒阻尼器颗粒摩擦耗能最主要影响参数的优化组合取值为：铁尾矿砂颗粒摩擦系数0.7、铁尾矿砂颗粒粒径0.8mm、砂盒颗粒阻尼器运动时间2.5s。 （8）通过模拟同径下的铁尾矿砂颗粒、钢球、陶瓷的摩擦耗能表明了砂盒在填充率为70%摩擦耗能最大。 （9）在模拟试验三种颗粒混合时发现颗粒摩擦耗能远比单一颗粒摩擦耗能要大得多，且模拟三种颗粒两两混合颗粒实验时结果中发现铁尾矿砂颗粒起到关键性的作用。通过正交试验得到了摩擦耗能最大时三种颗粒粒径的最优组合为：钢球粒径0.4mm、陶瓷粒径0.9mm、铁尾矿砂颗粒粒径1.4mm。 3、在悬臂梁激振条件下，利用DMA仪器测试实验，得到了六种因素对铁尾矿砂颗粒阻尼的影响规律，即砂-盒中的铁尾矿砂的损耗因子随着振幅的增大而增大；铁矿尾矿砂含水率为13.2%时阻尼最佳；铁尾矿砂颗粒粒径增大则颗粒阻尼增大；在砂盒颗粒不结冰的情况下颗粒阻尼随着温度的增大而增大；铁矿尾矿砂随着颗粒摩擦系数变大，颗粒阻尼损耗因子也增大。砂盒填充率100%时铁尾矿砂阻尼损耗因子最大。

目录

第1章 绪论

1.1本课题研究的目的及意义

1.2国内外研究现状

1.3本论文的主要研究内容及创新点

第2章 砂盒材料的选择与结构优化

2.1应变能法介绍

2.2砂盒应变能影响参数分析

2.3砂-盒的材料选择

2.4灰色树脂砂-盒结构优化

2.5砂盒颗粒阻尼的实验验证

2.6 本章小结

第3章 砂-盒颗粒摩擦耗能的研究

3.1PFC3D计算颗粒耗能的原理

3.2砂-盒阻尼器耗能的参数影响分析

3.3砂-盒阻尼器颗粒摩擦耗能的参数影响

3.4不同材料颗粒的阻尼器摩擦耗能

3.5 本章小结

第4章 铁矿尾矿砂颗粒阻尼变化规律研究

4.1测试仪器

4.2 砂盒的3D打印制备

4.3样品

4.4砂-盒颗粒阻尼的变化规律

4.5本章小结

第5章结论与展望

5.1结论

5.2展望

参考文献

在读期间科研情况说明

致谢

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