立筒仓水平侧压力的实验研究与颗粒流模拟分析

摘要

立筒仓是储存散粒状物料的筒状或柱状构筑物,广泛运用于粮食、煤炭、矿产、建材等行业.立筒仓结构的安全设计,是保证物料安全储备和正常运营的必要前提.立筒仓属于特种结构,由于其仓储物料的散体介质特性使其设计计算不同于其它一般的结构形式.立筒仓结构设计的关键在于其工况荷载——储料侧压力的正确计算和确定.各国关于立筒仓的结构设计计算都是基于Janssen理论得到的,Janssen理论是分析立简仓结构时一个十分重要的古典理论,在其基本假定中最主要的二条就是:(1)假定储料在任一点(包括仓壁处)的水平压力P<,ho>和垂直压力P<,vs>成正比,即P<,ho>=kP<,vs>,其中,k为储料的主动侧压力系数;(2)不计仓底的影响,即假定立筒仓为无限深.Janssen理论和公式对于立筒仓内储料处于静止状态的情况,是基本符合实际的,有它的工程应用价值.但在筒仓设计中,单纯地应用Janssen公式来进行立筒仓结构计算是不安全的,因为Janssen理论未考虑物料装料和卸料时所产生的动荷载的实际情况,也未考虑仓底的影响.该文首次充分考虑了仓储物料的散体介质力学特性,以及这一本质特性对其运动形式和力学响应的影响,采用了基于质点体系动量守恒定律的散体介质颗粒流理论及先进的PFC颗粒流程序,模拟筒仓在装卸料过程中仓内散状物料的流动及相互作用;并对其内部复杂的运动场、内力场以及物料对仓壁的侧压力进行了模拟分析;从细观力学的角度分析了物料结拱的成因、物料流态及其对侧压力的影响;把模拟的仓壁侧压力的发展规律等结果与现有的试验数据和传统的计算理论进行对比分析;得出了立筒仓在卸料过程中仓壁侧压力分布情况、发展规律及各种参数(如摩擦角、卸斗宽度等)的变化对筒仓的影响.该文研究结果对粮食、煤炭、建材等多种行业的立筒仓设计规范的编制、更新和筒仓理论的发展提供科学依据,同时也为一门新兴的边缘学科——《散体物料流动与强度》的建立提供理论与实践基础.

目录

文摘

英文文摘

第一章绪论

1.1引言

1.2筒仓动压力分析方法及其研究进展

1.2.1理论分析方法

1.2.2实验方法

1.2.3数值分析方法

1.3本课题的研究内容、意义及创新之处

第二章筒仓的模型试验与分析

2.1试验的目与方法

2.2试验的结果与分析

第三章PFC2D颗粒流程序的理论与方法

3.1 PFC2D颗粒流方法产生的背景

3.2 PFC2D颗粒流方法的基本假设

3.3 PFC2D颗粒流方法的特点

3.3.1模拟方式的特点

3.3.2 PFC2D颗粒流方法与其它方法相比之特点

3.4基本力学理论

3.4.1力一位移定律

3.4.2运动定律

3.5初始条件和边界条件

3.6接触本构模型

3.6.1接触刚度模型

3.6.2滑动模型

3.6.3连接模型

3.7 PFC2D中一些量的计量方法

3.7.1颗粒接触数量

3.7.2孔隙度

3.7.3滑动摩擦系数

3.7.4应力与应变

3.8 PFC2D颗粒流方法分析途径

第四章立筒仓动压力的颗粒流模拟

4.1模拟方法和技术路线

4.2模拟过程与结果

4.2.1颗粒流模拟试验模型的建立

4.2.2力筒仓卸料的模拟过程

4.2.3模拟结果分析

第五章细观参数变化对筒仓卸料的影响分析

5.1颗粒密度变化对筒仓卸料的影响分析

5.1.1颗粒密度800Kg/m3时的模拟结果

5.1.2颗粒密度2000Kg/m3时的模拟结果

5.1.3不同颗粒密度的模拟结果分析

5.2摩擦系数变化对筒仓卸料的影响分析

5.2.1颗粒和墙体的摩擦系数分别为0.4和0.3的模拟结果

5.2.2颗粒和墙体的摩擦系数分别为0和0的模拟结果

5.2.3颗粒和墙体的摩擦系数分别为1.5和0.4的模拟结果

5.2.4不同摩擦系数的模拟结果分析

第六章宏观参数变化对筒仓卸料的影响分析

6.1漏斗倾角的变化对筒仓卸料的影响分析

6.1.1漏斗倾角45度时的模拟结果

6.1.2漏斗倾角30度时的模拟结果

6.1.3不同倾角模拟结果分析

6.2漏斗出口变化对筒仓卸料的影响分析

6.2.1漏斗出口0.1m时的模拟结果

6.2.2漏斗的出口不同的模拟结果分析

第七章储料密实度不变摩擦系数对卸料的影响

7.1颗粒流模拟试验模型的建立

7.2摩擦系数改变对筒仓卸料的影响分析

7.2.1 silo21的颗粒流模拟结果

7.2.2 silo22的颗粒流模拟结果

7.2.3 silo23的颗粒流模拟结果

7.2.4模拟结果对比分析

第八章结论与建议

8.1主要研究结论

8.2今后研究的建议

参考文献

致谢