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《中国石油大学(北京)》 2017年
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密集颗粒物料力学响应特性的离散模拟研究

杜琳  
【摘要】:呈紧密堆积状态的颗粒物料在自然界和工业生产中广泛存在。由于其离散性,密集颗粒物料内部的应力分布呈现明显的空间非均匀性和各向异性,导致了力学响应存在明显的空间相关性。从工业应用角度,密集颗粒物料内部应力分布的非均匀性和力学响应的空间相关性,使得物料在流动过程中发生流动不均匀或者不稳定现象,从而影响传递和反应的异常;从理论研究角度,密集颗粒物料内部力学响应特性的强烈空间相关性,为基于平均化方法建立普适性本构模型提出了挑战。因此,深入认识密集颗粒物料的力学响应特性,具有重要的理论和应用意义。本论文工作基于二维离散单元法数值模拟,采用单颗粒牵引和水平剪切的方式对密集颗粒物料施加剪切作用,通过分析牵引颗粒以及牵引板的受力特征,分析了剪切作用下密集颗粒物料的力学响应特征。论文主要研究结果如下:(1)单颗粒牵引条件下,牵引颗粒的水平受力与其尺寸以及颗粒的摩擦系数有关,前者主要是影响了牵引颗粒运动时所能带动的周围其它颗粒的数目,而后者主要改变了密集颗粒物料内平均颗粒法向接触力的大小。(2)对单颗粒水平牵引过程中的stick-slip现象的分析表明,每次slip事件表现为牵引颗粒水平位置阶跃变化;其运动导致前方颗粒的位移场在垂直方向形成两个对称的漩涡状结构;通过分析微观颗粒接触信息发现,stick过程中强颗粒接触和弱颗粒接触之间的平均方位角差逐渐增大,表明弱接触对强接触的几何支撑作用增强;但强接触逐渐减少,同时弱接触中发生摩擦滑移的颗粒接触对数目逐渐增多,说明slip事件是stick过程中微观颗粒尺度摩擦滑移累积增长的宏观体现。(3)对于边壁水平剪切,在所考察的参数范围内,围压和剪切速率对颗粒物料宏观有效摩擦系数的影响近似可忽略;颗粒物料宏观有效摩擦系数与微观颗粒的摩擦系数呈现明显的相关性。对微观颗粒接触信息的分析表明,这主要是颗粒摩擦系数影响了颗粒间接触方向和法向接触力的各向异性特性。(4)边壁的水平剪切作用显著地降低了颗粒物料内部牵引颗粒运动过程中的受力。随着边壁运动速度的增大,牵引颗粒受力单调减小。分析表明,这主要因为边壁运动速度增大提高了剪切带外颗粒物料的空隙率;而在微观上,这主要反映在边壁运动速度的增大显著地降低了剪切带外颗粒间法向力的各向异性程度,从而导致剪切带外颗粒物料宏观有效摩擦系数减小,使得牵引颗粒的受力降低。
【学位授予单位】:中国石油大学(北京)
【学位级别】:硕士
【学位授予年份】:2017
【分类号】:TB301

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