拖拽体激发颗粒流的离散元模拟

发布时间：2018-01-30 18:30

本文关键词： 离散元拖拽体颗粒流改进朗肯土压力理论改进库伦土压力理论连续介质力学模型　出处：《西北农林科技大学》2016年博士论文　论文类型：学位论文

【摘要】：和一般简单的重力式平行颗粒流相比,拖拽体激发的颗粒流(Intruder-induced granular flow)在流态上十分复杂,近年来越来越多的受到国内外研究人员的重视。在实际生产生活中,拖拽体激发的颗粒流在很多领域内都有所应用,诸如岩土力学、农业工程、生物仿生和军事等领域。为了全面分析拖拽体在颗粒流动中的受力规律,本文设计了若干不同形状的拖拽体,即半侵入型的竖直型薄板墙体、倾斜型薄板墙体、厚板墙体以及全侵入型的矩形和锯齿形拖拽体,并采用离散元(Discrete Element Method)模拟和室内物理实验相结合的方法,分别对各种拖拽体在密集颗粒中的匀速运动做了全面的分析和研究,重点以各种因素对拖拽阻力和升力的影响为研究主线,旨在揭示拖拽阻力和升力随位移的变化规律,以期为实际应用提供理论指导。本文的研究成果主要有:(1)采用特制的带翼拖拽体,在实际物理实验中模拟二维拖拽情况,通过摄像监视的结果发现,颗粒流动方向基本处于同一平面上,这就为其和二维数值模拟的比较奠定了合理的基础。提出用重力增大法生成具有自由表面的颗粒床,该方法的优点在于可以促使颗粒快速平衡,且当移除顶部墙体时,颗粒不会向上弹出,确保了系统初始状态的稳定;(2)借鉴土力学中相对密度的概念,建立了颗粒三维和二维情况下的孔隙率的对应关系。用实际颗粒自由落体得到玻璃珠的恢复系数,然后通过数值自由落体实验,发现不同的初始高度下,恢复系数和粘性阻尼率呈负指数关系且唯一,在此基础上,标定了本文颗粒接触的粘弹性模型;(3)对于竖直刚性薄板型拖拽体,有限容器中的拖拽运动存在明显的边界效应,即拖拽体和终点边界距离越小,其前方颗粒堆积越迅速,拖拽阻力也越大。颗粒的微观参数指标诸如颗粒刚度、颗粒之间的摩擦系数以及颗粒半径对拖拽阻力没有影响。拖拽体的初始位置、容器的尺寸对拖拽阻力非边界效应部分没有影响。拖拽体底部净高足够小时才对拖拽阻力产生较弱影响。拖拽阻力随侵入深度的增大而线性增大,随拖拽速度的增大而二次函数增大;(4)对于刚性倾斜薄板和锯齿形拖拽体,拖拽阻力是墙体倾角(或锯齿倾角)和拖拽速度的线性增函数。对于锯齿形拖拽体,该增函数中有三个重要参数,速度影响参数和深度影响参数以及系统阻力系数,它们和墙体倾角(或锯齿倾角)有关:具体来讲,速度影响参数和深度影响参数都是倾角的二次增函数,系统阻力系数是是倾角的二次减函数;倾斜型拖拽体所受拖拽阻力和升力的比值是其倾角的正切值,锯齿形拖拽体倾斜部分所受拖拽阻力和升力的比值也是锯齿倾角的正切值。(5)对于半侵入型刚性竖直厚板拖拽体,通过离散元数值模拟发现,在其运动方向的角点处,存在应力集中(角端效应)现象,即拖拽体角端处的阻力剧增。本文从颗粒碰撞频度的角度较好的解释了角端效应现象;(6)对于不同形状的拖拽体,根据颗粒运动的实际情况和位移场的变化规律,通过几何方式推导出了颗粒堆积高度的预测公式,并给出了基于改进朗肯被动土压力理论和基于改进库伦土压力理论的拖拽阻力预测公式。并通过室内物理实验的结果,验证了两种预测公式的正确性。这两种预测模型都是单变量模型,前者的决定因素是动压力系数,后者的决定因素是广义摩擦角。(7)分析了离散元模拟情况下颗粒的位移场变化、应力分布、应变率分布以及广义惯性数分布,从另一个侧面验证了本文所建立的预测模型的正确性。另外尝试运用有限元分析的方法,运用基于Drucker-Prager模型的自适应有限元模型,从定性的角度分析了小位移情况下的位移场、竖向应力场以及塑性应变。结果表明由有限元得出的位移场以及塑性区和离散元的结果吻合。
[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 .

【学位授予单位】：西北农林科技大学
【学位级别】：博士
【学位授予年份】：2016
【分类号】：TU43

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