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材料拌和离散元模拟系统的开发与应用

小原孝之  
【摘要】: 随着计算机技术的发展,在工学研究中数值模拟技术的应用越来越广泛。在材料拌和研究中数值模拟技术已有一定的应用,但对拌和粘塑性体和弹性体组成的复合材料研究很少。混凝土是多种材料组成的复合材料,是一种应用极为广泛的土木建筑材料。但目前还没有对拌和混凝土可用的数值模拟方法。离散元法是适用于描述非连续体运动状态的数值模拟方法,本文把离散元法应用到材料拌和模拟,开发了材料拌和离散元模拟系统,可用于混凝土数值模拟。 首先用塑料球拌和实验验证所开发的材料拌和离散元模拟系统对弹性体拌和模拟的可行性。结果表明,本系统能够合理地模拟弹性体的拌和。对复合材料即混凝土离散元模拟时,将砂浆作为粘塑性体、粗骨料作为弹性体,并考虑砂浆和粗骨料之间的关系;同时给出了普通混凝土和自密实混凝土的数值模拟中各种材料的参数确定方法。为了验证模拟系统的可行性,进行了不同配合比的混凝土流动性实验和粗骨料体积比率不同的混凝土拌和实验,实验结果与数值模拟结果表明,本系统能够合理地模拟混凝土的流动性和拌和过程。 在研究材料拌和或者开发拌和装置时,需要评价拌和物的拌和状态。在粉粒体工学中,已有的方法是用样本里的目标材料浓度偏差来表示拌和状态,但目前没有表示复合材料如混凝土拌和状态的指标。本文把混凝土分成砂浆和粗骨料两个要素,以样本里的粗骨料体积比率偏差作为拌和物拌和状态的指标──拌和指数。通过验证实验证明了拌和指数的可行性。 把材料拌和离散元模拟系统和拌和指数在现有静态拌和装置的问题分析和新型静态拌和装置的开发中进行了应用。通过现有拌和装置的问题分析,阐明了现有拌和装置的拌和原理及其问题,并开发了新型拌和装置。通过新型拌和装置的拌和性能验证实验,对新型拌和装置拌和能力进行了研究。比较实验结果和计算结果,证明系统能够合理地模拟试验结果。


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