正八面体颗粒振动堆积致密化的离散元数值仿真及结构表征

摘要

本论文采用组合球离散元法数值模拟了正八面体颗粒在三维机械振动条件下的堆积致密化过程并用物理实验进行了验证，研究了振动参数对正八面体颗粒堆积致密化的影响规律，在数值模拟中对初始堆积和致密堆积结构进行了详细表征和分析。在对振动致密化的宏观规律的研究中，物理实验和数值模拟都是在圆柱容器中以相同加料速率形成初始堆积结构，再施加振动实现致密化，结果发现正八面体颗粒振动致密化的效果对振幅的改变较为敏感，对振动频率的改变相对不敏感。适合获得最密结构的振幅的范围比较宽，在相应振幅范围内的适合获得最密结构的振动频率的范围也比较宽，物理实验可以验证数值模拟的结果，说明模拟方法是有效及准确的。 在初始自然疏松堆积和振动后最终致密堆积结构中，容器侧壁和底部附近都有三层较为明显的颗粒分层排列现象，排除容器壁影响后，能够得到内部均匀随机结构的堆积密度值，分别为初始疏松堆积的0.670和最终致密堆积的0.684。在整个结构中近邻颗粒之间多以颗粒中心距离接近最小距离的方式存在，但真正的面-面完全重合接触很少。整个结构中颗粒的配位数和约束数在振动致密化之后都明显减小，而且边界区域的配位数和约束数始终比中心区域的小。这是因为致密化过程伴随的是高约束的接触类型（面-面接触和面-边接触）的减少。只有最靠近容器壁一层的颗粒在取向方面呈现出较为有序的排列，内部颗粒始终维持较好的取向随机性。 结构分析表明，在堆积结构的多个微观性能方面，正八面体的堆积结构及致密化都有区别于其它形状颗粒（如球体和立方体）的特点，无法根据后者的堆积性质预测前者的具体堆积性质。

目录

声明

摘要

1．1颗粒堆积问题简介

1．2颗粒堆积的研究进展

1．2．1球形颗粒堆积的研究

1．2．2非球形颗粒堆积的研究

1．3本课题的研究内容及创新点

1．3．1课题的研究内容

1．3．2课题的创新点

第2章研究方法

2．1物理实验设备、材料和条件

2．2数值模拟方法

2．2．1组合球模型的描述和受力分析

2．2．2颗粒的取向和转动

2．2．3数值模拟条件

第3章正八面体颗粒振动堆积致密化的影响因素

3．1物理实验中振动参数对粒子堆积致密化的影响

3．2数值模拟中振动参数对粒子堆积致密化的影响

3．3本章小结

第4章正八面体颗粒堆积致密化的结构表征

4．1边界对堆积密度的影响

4．1．1容器壁附近的颗粒分层现象

4．1．2边界对堆积密度的影响

4．2堆积结构的径向分布函数分析

4．3堆积结构的配位数分析

4．4堆积结构的接触类型分析

4．5堆积结构中颗粒取向随机性的分析

4．6本章小结

第5章结论

参考文献

致谢

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