本文關(guān)鍵詞： 離散元 拖拽體 顆粒流 改進(jìn)朗肯土壓力理論 改進(jìn)庫倫土壓力理論 連續(xù)介質(zhì)力學(xué)模型　出處：《西北農(nóng)林科技大學(xué)》2016年博士論文　論文類型：學(xué)位論文

【摘要】：和一般簡單的重力式平行顆粒流相比,拖拽體激發(fā)的顆粒流(Intruder-induced granular flow)在流態(tài)上十分復(fù)雜,近年來越來越多的受到國內(nèi)外研究人員的重視。在實(shí)際生產(chǎn)生活中,拖拽體激發(fā)的顆粒流在很多領(lǐng)域內(nèi)都有所應(yīng)用,諸如巖土力學(xué)、農(nóng)業(yè)工程、生物仿生和軍事等領(lǐng)域。為了全面分析拖拽體在顆粒流動中的受力規(guī)律,本文設(shè)計了若干不同形狀的拖拽體,即半侵入型的豎直型薄板墻體、傾斜型薄板墻體、厚板墻體以及全侵入型的矩形和鋸齒形拖拽體,并采用離散元(Discrete Element Method)模擬和室內(nèi)物理實(shí)驗相結(jié)合的方法,分別對各種拖拽體在密集顆粒中的勻速運(yùn)動做了全面的分析和研究,重點(diǎn)以各種因素對拖拽阻力和升力的影響為研究主線,旨在揭示拖拽阻力和升力隨位移的變化規(guī)律,以期為實(shí)際應(yīng)用提供理論指導(dǎo)。本文的研究成果主要有:(1)采用特制的帶翼拖拽體,在實(shí)際物理實(shí)驗中模擬二維拖拽情況,通過攝像監(jiān)視的結(jié)果發(fā)現(xiàn),顆粒流動方向基本處于同一平面上,這就為其和二維數(shù)值模擬的比較奠定了合理的基礎(chǔ)。提出用重力增大法生成具有自由表面的顆粒床,該方法的優(yōu)點(diǎn)在于可以促使顆�？焖倨胶�,且當(dāng)移除頂部墻體時,顆粒不會向上彈出,確保了系統(tǒng)初始狀態(tài)的穩(wěn)定;(2)借鑒土力學(xué)中相對密度的概念,建立了顆粒三維和二維情況下的孔隙率的對應(yīng)關(guān)系。用實(shí)際顆粒自由落體得到玻璃珠的恢復(fù)系數(shù),然后通過數(shù)值自由落體實(shí)驗,發(fā)現(xiàn)不同的初始高度下,恢復(fù)系數(shù)和粘性阻尼率呈負(fù)指數(shù)關(guān)系且唯一,在此基礎(chǔ)上,標(biāo)定了本文顆粒接觸的粘彈性模型;(3)對于豎直剛性薄板型拖拽體,有限容器中的拖拽運(yùn)動存在明顯的邊界效應(yīng),即拖拽體和終點(diǎn)邊界距離越小,其前方顆粒堆積越迅速,拖拽阻力也越大。顆粒的微觀參數(shù)指標(biāo)諸如顆粒剛度、顆粒之間的摩擦系數(shù)以及顆粒半徑對拖拽阻力沒有影響。拖拽體的初始位置、容器的尺寸對拖拽阻力非邊界效應(yīng)部分沒有影響。拖拽體底部凈高足夠小時才對拖拽阻力產(chǎn)生較弱影響。拖拽阻力隨侵入深度的增大而線性增大,隨拖拽速度的增大而二次函數(shù)增大;(4)對于剛性傾斜薄板和鋸齒形拖拽體,拖拽阻力是墻體傾角(或鋸齒傾角)和拖拽速度的線性增函數(shù)。對于鋸齒形拖拽體,該增函數(shù)中有三個重要參數(shù),速度影響參數(shù)和深度影響參數(shù)以及系統(tǒng)阻力系數(shù),它們和墻體傾角(或鋸齒傾角)有關(guān):具體來講,速度影響參數(shù)和深度影響參數(shù)都是傾角的二次增函數(shù),系統(tǒng)阻力系數(shù)是是傾角的二次減函數(shù);傾斜型拖拽體所受拖拽阻力和升力的比值是其傾角的正切值,鋸齒形拖拽體傾斜部分所受拖拽阻力和升力的比值也是鋸齒傾角的正切值。(5)對于半侵入型剛性豎直厚板拖拽體,通過離散元數(shù)值模擬發(fā)現(xiàn),在其運(yùn)動方向的角點(diǎn)處,存在應(yīng)力集中(角端效應(yīng))現(xiàn)象,即拖拽體角端處的阻力劇增。本文從顆粒碰撞頻度的角度較好的解釋了角端效應(yīng)現(xiàn)象;(6)對于不同形狀的拖拽體,根據(jù)顆粒運(yùn)動的實(shí)際情況和位移場的變化規(guī)律,通過幾何方式推導(dǎo)出了顆粒堆積高度的預(yù)測公式,并給出了基于改進(jìn)朗肯被動土壓力理論和基于改進(jìn)庫倫土壓力理論的拖拽阻力預(yù)測公式。并通過室內(nèi)物理實(shí)驗的結(jié)果,驗證了兩種預(yù)測公式的正確性。這兩種預(yù)測模型都是單變量模型,前者的決定因素是動壓力系數(shù),后者的決定因素是廣義摩擦角。(7)分析了離散元模擬情況下顆粒的位移場變化、應(yīng)力分布、應(yīng)變率分布以及廣義慣性數(shù)分布,從另一個側(cè)面驗證了本文所建立的預(yù)測模型的正確性。另外嘗試運(yùn)用有限元分析的方法,運(yùn)用基于Drucker-Prager模型的自適應(yīng)有限元模型,從定性的角度分析了小位移情況下的位移場、豎向應(yīng)力場以及塑性應(yīng)變。結(jié)果表明由有限元得出的位移場以及塑性區(qū)和離散元的結(jié)果吻合。
[Abstract]:In order to provide theoretical guidance for the practical application , it is found that the particle flow direction is basically in the same plane . ( 5 ) For a semi - invasive rigid vertical thick plate drag body , there are three important parameters , velocity influence parameters and depth influence parameters and system drag coefficient .

【學(xué)位授予單位】：西北農(nóng)林科技大學(xué)
【學(xué)位級別】：博士
【學(xué)位授予年份】：2016
【分類號】：TU43

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本文編號：1476933