颗粒材料的流动性质及其应用

摘要

颗粒介质由于其离散的特性，表现出不同于连续体的力学性质。近些年来，颗粒物质的研究受到力学、化工、土木及物理等领域的热切关注。在颗粒物质的诸多力学现象中，其流动行为广泛存在于滑坡、泥石流、雪崩等自然灾害与矿石储运、化学工业等工业生产中，因此其力学性质的研究有着重要的应用前景与科学意义。本文通过对颗粒物质流动过程中所表现出的力学性质进行了试验研究与DEM模拟，并结合实际应用进行了深入分析。　　第一章介绍了颗粒介质的典型特性及其研究背景，特别是近些年来关于颗粒物质流动性质的研究以及环剪试验的研究进展。　　第二章通过自主设计的环剪试验系统对颗粒介质在剪切作用下的应力-应变关系。研究了剪切速率、法向压力等参数对剪切力、切应变的作用和影响，试验结果表明颗粒材料在受剪发生变形的过程中，由于其离散的特性，存在一个临界条件。当法向压力、剪切速率等条件满足时，整个颗粒体系才发生剪切变形，否则只在浅层颗粒发生剪切变形。　　第三章建立了环剪试验的DEM模型，并针对第二章的试验现象进行了DEM模拟，对速度场、运动轨迹、力链等参数进行分析，验证和补充实验中所得到的结论。　　第四章对筒仓内部颗粒介质的流动状态进行了试验研究与DEM模拟，研究了筒仓结构在卸料过程中，其内部颗粒介质流出时所表现出的力学行为。　　第五章通过建立颗粒缓冲试验系统，对重物冲击刚性表面时产生的冲击力进行测量。研究了不同的颗粒厚度、初始冲击力下，颗粒介质的缓冲性能。并发现当冲击力与颗粒厚度满足一定的关系时，存在一个临界条件即重物穿透厚度。当重物的动能足够穿透颗粒层时，冲击力峰值对颗粒厚度十分敏感;当重物的动能不足够穿透颗粒层时，冲击力峰值对颗粒厚度不再敏感。　　本文通过环剪试验与离散元方法对剪切作用下颗粒介质的流动特性进行了研究，颗粒介质在流动状态下表现出了不同于固体或液体的特殊性质，这与颗粒材料复杂的离散特性密切相关。并通过几种典型应用对颗粒介质的这种流动特性进行了深入研究与分析。

目录

声明

摘要

1 绪论

1．1 研究背景

1．2 颗粒物质的研究进展

1．3 颗粒流研究进展

1．4 力链结构

1．5 本文主要研究内容

2 颗粒材料的剪切流动试验

2．1 环剪试验介绍

2．2 试验装置与方案

2．2．1 实验装置

2．2．2 实验方案及颗粒介质

2．2．3 主要测量参数

2．3 剪切速率对颗粒介质流动状态的影响

2．3．1 剪切力体现的临界剪切速率

2．3．2 体积变化体现出的临界剪切速率

2．3．3 产生的临界速率内在机理

2．4 法向应力和粒径对临界速率的影响

2．4．1 法向应力对临界速率的影响

2．4．2 粒径对临界速率的影响

2．5 快速流动状态下法向应力粒径对流动状态的影响

2．5．1 法向应力对流动状态的影响

2．5．2 粒径对流动状态的影响

2．5 本章小结

3 颗粒材料环剪试验的DEM模拟

3．1 环剪试验的DEM模拟简介

3．2 DEM模型

3．3 环剪试验的DEM模拟

3．3．1 应力-应变的离散元模拟结果

3．3．2 剪切速率与剪切力的关系

3．3．3 局部流向整体流的转化过程

3．4 本章小结

4 筒仓结构内部颗粒流动行为

4．1 筒仓内部颗粒流简介

4．2 DEM模型的建立

4．3 不同参数下的颗粒流动性能

4．3．1 颗粒力学参数对流动性能的影响

4．3．2 筒仓几何参数对颗粒流动性能的影响

4．4 颗粒流波动现象

4．4．1 颗粒流动过程中平均接触力的变化特征

4．4．2 颗粒流动过程中平均接触力的变化特征

4．5 本章小结

5 颗粒材料缓冲性能的试验研究

5．1 颗粒材料缓冲性能简介

5．2 颗粒缓冲性能的试验装置及方案

5．3 颗粒厚度及冲击载荷对缓冲性能的影响

5．3．1 颗粒厚度对缓冲性能的影响

5．3．2 颗粒床厚度t对缓冲性能的影响

5．3．3 重物初速度v对缓冲性能的影响

5．4 缓解冲击力的临界关系

5．4．1 F-v-t关系

5．4．2 v-t之间的临界关系

5．5 本章小结

结论与展望

参考文献

攻读硕士学位期间发表学术论文情况

致谢