基于离散元方法的颗粒材料缓冲性能及影响因素分析

在冲击荷载作用下, 颗粒材料通过颗粒间的摩擦及非弹性碰撞可有效进行能量耗散实现缓冲作用. 本文采用离散元方法对冲击载荷下颗粒材料的缓冲过程进行数值分析, 研究不同厚度下颗粒材料的缓冲性能. 计算结果表明: 颗粒层厚度H是影响颗粒材料缓冲性能的关键因素, 并存在一个临界厚度H_c. 当H < H_c时, 冲击力随H的增加而降低; 当H > H_c时, 冲击力对H的变化不敏感并趋于稳定值. 此外, 在不同颗粒摩擦系数和初始密集度下对缓冲过程的离散元分析表明, 光滑和疏松颗粒材料具有更好的缓冲性能. 最后, 对颗粒材料在冲击过程中的力链结构和底板的压力分布进行了讨论, 以揭示颗粒材料缓冲性能的内在机理.     

冲击荷载下颗粒物质缓冲性能的试验研究

颗粒物质是一种复杂的能量耗散体系. 颗粒间的摩擦和黏滞作用可使冲击荷载引起的能量有效衰减, 颗粒间的力链结构又可将瞬时局部冲击荷载进行空间扩展和时间延长, 达到良好的缓冲效果. 为研究颗粒物质对冲击荷载的缓冲性能, 本文采用重力作用下球体冲击筒内颗粒物质的试验系统, 研究了筒体底部作用力在颗粒材料、颗粒厚度等因素影响下的变化规律. 试验结果表明: 非规则颗粒具有更加良好的缓冲性能, 粗颗粒的缓冲性能略高于细颗粒. 颗粒厚度H是影响缓冲性能的重要因素, 并存在一个临界厚度H_c. 当H<H_c时, 缓冲性能随H的增加而增强; 当H>H_c时, H对缓冲效果的影响不再显著. 以上研究是在同一冲击能量下进行的, 而对于不同冲击能量下的H_c还需要深入开展. 通过颗粒物质对冲击荷载缓冲性能的试验研究, 可揭示颗粒材料的基本物理力学行为, 为其在缓冲减振领域中的应用提供依据.     

湿颗粒堆力学特性的离散元法模拟研究

利用基于线性黏聚接触模型的离散元法对不同颗粒系统的堆积过程进行了数值模拟研究,分析了颗粒形状和湿颗粒间液桥力对颗粒堆积形态的影响机理,获得了球形和块状湿颗粒堆基底表面所受的法向力以及堆中颗粒间的法向力和切向力"中心凹陷"式的分布规律,讨论了颗粒形状和黏聚能量密度对基底表面作用力和颗粒间作用力的影响.研究结果表明,颗粒形状和液桥力对颗粒堆的堆积形态具有显著的影响.堆积角随着黏聚能量密度的增加而增大,并且相同条件下的块状颗粒堆积角大于球形颗粒.颗粒形状和黏聚能量密度对基底表面所受作用力和堆中颗粒间的作用力变化及最大幅值均有影响作用.当黏聚能量密度值逐渐增大时,颗粒堆的作用力最大幅值均逐渐增大,并且块状颗粒堆的作用力最大幅值大于球形颗粒堆.当黏聚能量密度值过大时,颗粒堆力学特性更加复杂,液桥力对颗粒堆积特性的影响作用大于颗粒形状的影响.     

滚筒内非等粒径二元颗粒体系增混机理研究

提出了在圆形滚筒内设置十字形内构件的增混方式,并采用离散单元方法对设置不同大小内构件的滚筒内非等粒径二元颗粒体系的混合进行了数值模拟试验.通过模拟结果重点分析了内构件对混合的影响,讨论了内构件的尺寸对混合效果的作用,分析和探讨了滚筒内构件对二元颗粒体系的增混机理.研究发现,当滚筒内无内构件时,对流、扩散和离析三种作用机制对颗粒体系的混合和分离都起到了重要作用;当滚筒内含内构件时,颗粒的混合则只受到颗粒对流和扩散机制的作用,而颗粒的离析效应得到了很大程度的抑制.十字形内构件很大程度上会破坏滚筒内的自由表面流,从而使发生在自由表面流中的颗粒分离不能发生,最终可有效地增加颗粒之间的混合.对于采用在滚筒内设置十字形内构件的方式来增加颗粒间的混合,存在一个最优的内构件尺寸,内构件过小或过大都不利于颗粒间的混合. 关键词： 分离 混合 离散单元法     

颗粒分层过程三维离散元法模拟研究

采用软球干接触模型对球形及非球形颗粒的分层过程进行了三维离散元法模拟研究,从颗粒间作用力、转动力矩和能量变化的角度分析了颗粒分层机理,讨论了颗粒的粒度比对分层速度的影响规律.结果表明,分层过程中,大颗粒比小颗粒活跃,非球颗粒由于具有较高的动能而比球颗粒活跃,在一定程度上弥补了颗粒形状对分层过程的影响.大颗粒间的平均法向、切向作用力、平均力矩及平均动能均大于小颗粒.颗粒分层速度随着粒度比的增加而显著增大,当粒度比大于临界粒度比3时,分层速度的增幅减缓.     

非球形椭球粒子参数变化对光偏振特性的影响

针对自然界中多数沙尘、烟煤粒子的非球形问题, 在球形粒子偏振特性的基础上, 进一步研究非球形椭球粒子的折射率、有效半径、粒子形状等参数变化对光偏振特性的影响, 采用基于T矩阵的非球形粒子仿真方法, 模拟非偏振光经椭球粒子传输后光的偏振特性及其与球形粒子间的差异, 并以实际沙尘、海洋、烟煤三种气溶胶粒子为例说明结果的正确性. 结果表明: 当折射率实部越小, 虚部越大时, 球形粒子与非球形粒子的偏振差异越不明显; 当粒子有效半径增加时, 球形粒子偏振度的变化比非球形粒子更为明显, 且最大值分别出现在散射角为150°和120°的位置; 当粒子形状不同时, 不同形状椭球及球形粒子的差异在散射角小于60° 时并不明显, 且当椭球粒子纵横比互为倒数时, 两种粒子的偏振特性近似相同. 通过以上分析可知, 在光传输过程中, 椭球粒子多数情况下无法被近似为球形粒子进行计算.     

爆炸冲击作用下铝蜂窝板失稳研究

基于非线性动力学软件AUTODYN,对铝蜂窝夹芯板在爆炸冲击载荷作用下的失稳过程进行三维数值模拟。通过建立不同参数规格的铝蜂窝夹芯板的实体模型,研究其前、后面板在TNT爆炸冲击作用下的动态响应及塑性阶段的失稳变形。计算结果表明:随着铝蜂窝板前、后面板厚度,夹芯层铝箔高度和厚度的增加,铝蜂窝板在爆炸冲击载荷下的最终残余变形量均明显减小,抵抗变形的能力增强;对于夹芯层胞元形状不同但相对密度相同的铝蜂窝板,因冲击载荷下单轴压缩"惯性效应"差异较小,其面板在爆炸载荷作用下的最终残余变形量差异不大。     

椭圆截面非球形颗粒群的多重光散射

尽管非球形下一些特殊形状颗粒的单散射已被得到,球形多颗粒系（颗粒群）的多重散射也被研究,但至今仍未得到非球形颗粒群的多重散射.文中建立了一类椭圆截面非球形颗粒模型,求得其散射相位函数,借助于辐射传播方程,考虑形状及大小分布,得到了该类颗粒群的多重光散射.在两种特例情况下的结果能与已有的结果符合较好,说明了方法的可靠性.计算分析表明：非球形颗粒群的多重散射光强角分布要比球形颗粒平坦.椭圆截面颗粒的粒度或形状参数越大,多重散射光越集中于小的散射角;粒度分布或形状分布越宽,多重散射光强的角分布越平坦.随着光学厚 关键词： 多重光散射 颗粒 非球形 椭圆截面     

基于固有型内聚力模型模拟双层夹胶玻璃冲击断裂行为

为了研究双层夹胶玻璃(LG)在冲击荷载作用下的裂纹扩展规律,采用零厚度固有型内聚力单元裂纹扩展方法建立了球形锤头冲击下两边支撑的LG动力响应的计算模型,内聚力单元使用最大主应力失效准则,探讨玻璃罚刚度K值和厚度对裂纹形成路径、范围和数量以及下面板位移的影响。结果表明:(1)冲击荷载作用下,上玻璃板中心首先产生大量细小裂纹和玻璃颗粒,随后径向裂纹不断向外扩展,同时产生大量环向裂纹;(2)随着玻璃K值的增加,LG裂纹扩展范围缩小、数量减少,下玻璃板中心位移减小;(3)随着玻璃厚度的增大,LG裂纹范围缩小、数量减少,下玻璃板中心位移减小。研究结果为LG抗冲击设计和安全防护提供了直接依据。     

典型流化床内非球形颗粒流动行为模拟研究

气固流化床在能源、化工、制药、冶金等众多工业领域有着广泛的应用。本文通过耦合计算流体力学和离散单元模型的模拟来评估典型流化床中非球形颗粒的流动行为。结果表明，典型流化床内球形颗粒的旋转颗粒温度分布接近各向同性，非球形颗粒的旋转颗粒温度分布呈现明显的各向异性。随着颗粒长径比的增加，颗粒的平动颗粒温度和旋转颗粒温度增大，意味着颗粒平动和旋转速度的脉动加剧。     

非球体填充的组合球模型及松弛算法

现有的松弛算法由于仅用于球填充而只考虑颗粒的平动,故提出考虑非球体转动的改进松弛算法并采用组合球模型,使其能够模拟任意形状非球体的随机填充以及多种非球体的混合填充.用多个球体的外包络面近似一个非球体外形的组合球模型,将非球体之间的接触转化为球体之间的接触,从而简化并统一非球体接触判断算法.通过引入非球体的转矩和转角松弛机制,使改进松弛算法克服了"自锁"现象,并能生成非球体的随机密填充.算例表明,填充结果与现有的数值模拟及实验结果相符.     

双分散颗粒体系在临界堵塞态的结构特征

堵塞行为是颗粒体系中一种常见的现象,其力学性质与堆积结构的关联非常复杂.本文采用离散元法研究了由两种不同半径颗粒组成的二维双分散无摩擦球形颗粒体系在临界堵塞态所呈现的结构特征,讨论了大小颗粒粒径比与大颗粒百分比对临界堵塞态的影响.数值模拟结果表明,当粒径比小于1.4时,临界平均接触数与大颗粒百分比关系不大,当粒径比大于1.4时随着大颗粒百分比的增大临界平均接触数先减小再增大.而临界体积分数在粒径比小于1.8时随着大颗粒百分比的增加先减小后增大,大于1.8时又基本不随大颗粒百分比而变化.大颗粒百分比在接近0或1时,系统近似为单分散体系,临界平均接触数与体积分数基本不随半径比的增大而变化;在接近0.5时,临界平均接触数随着半径比的增大逐渐减小,而临界体积分数则是先减小后增大.文中对大-小颗粒这一接触类型的百分比也进行了探讨,其值随着大颗粒百分比的增大呈二次函数的变化趋势,粒径比对这一变化趋势只有较小的影响.     

窄振动颗粒床中的运动模式

实验研究了竖直振动情况下,窄容器中颗粒的运动模式.发现运动模式与颗粒床厚度及振动加速度有很强的依赖关系.实验表明横向尺寸较小的容器可以抑制对流卷及拱起现象.对于足够厚的颗粒床,即使振动加速度很大,颗粒床下部仍然存在着颗粒聚集态.出现聚集态时,颗粒床对容器底的冲击力是倍周期分岔的.实验表明倍周期分岔点与颗粒床厚度无关.对于较薄的颗粒床,颗粒可以是聚集态或对流卷,视颗粒尺寸而定.如果使用尺寸分布非常窄的球形颗粒,可以观察到颗粒的有序排列.出现同心的圆筒形“壳”结构,每个“壳”上的颗粒是二维六角密排列的. 关键词： 颗粒物质 倍周期分岔 颗粒聚集态 球堆积     

Using level sets for creating virtual random packs of non-spherical convex shapes

Random packs of spheres have been used to model heterogeneous and porous material morphologies during simulations of physical processes such as burning of coal char, convective burning in porous explosives, and regression of solid rocket propellant. Sphere packs have also been used to predict thermo-mechanical properties, permeability, packing density, and dissolution characteristics of various materials. In this work, we have extended the Lubachevsky–Stillinger (LS) sphere packing algorithm to create polydisperse packs of non-spherical shapes for modeling heterogeneity in complex energetic materials such as HMX and pressed gun propellants. In the method, we represent the various particle shapes using level sets. The LS framework requires estimates of inter-particle collision times, and we predict these times by numerically solving a minimization problem. We have obtained results for dense random packs of various convex shapes such as cylinders, spherocylinders, and polyhedra, and we show results with these various particles packed together in a single pack to high packing fraction.     

溶液液滴蒸发变干的环状沉积

液体蒸发驱动的颗粒自组装现象在许多的工业技术中有重要应用. 本文利用显微镜观测含有颗粒物质的液滴变干后留在固体表面的颗粒形成的环状沉积图案. 采用微米粒径的SiO₂小球水溶液液滴蒸发变干模拟咖啡环的形成过程, 结果发现液滴蒸发过程中接触线的钉扎是环状沉积的必要条件. 在液滴蒸发过程中颗粒随着补偿流不断的向液滴边缘移动, 聚集在接触线处形成环. 液滴蒸发变干后残留在液滴内部的颗粒数随颗粒质量分数的增加而增加, 可以达到单层的颗粒排列. 而玻璃衬底上的颗粒环在颗粒质量分数很小时, 形成单层排列, 且一排一排地生长. 蒸发过程中颗粒环由于液滴边缘的尺寸限制向液滴中心缓慢移动. 这会导致液滴中不同大小颗粒的分离. 关键词： 液滴 接触线 蒸发 颗粒     

Dynamic Light Scattering Measurement of Nanometer Particles in Liquids

Dynamic light scattering (DLS) techniques for studying sizes and shapes of nanoparticles in liquids are reviewed. In photon correlation spectroscopy (PCS), the time fluctuations in the intensity of light scattered by the particle dispersion are monitored. For dilute dispersions of spherical nanoparticles, the decay rate of the time autocorrelation function of these intensity fluctuations is used to directly measure the particle translational diffusion coefficient, which is in turn related to the particle hydrodynamic radius. For a spherical particle, the hydrodynamic radius is essentially the same as the geometric particle radius (including any possible solvation layers). PCS is one of the most commonly used methods for measuring radii of submicron size particles in liquid dispersions. Depolarized Fabry-Perot interferometry (FPI) is a less common dynamic light scattering technique that is applicable to optically anisotropic nanoparticles. In FPI the frequency broadening of laser light scattered by the particles is analyzed. This broadening is proportional to the particle rotational diffusion coefficient, which is in turn related to the particle dimensions. The translational diffusion coefficient measured by PCS and the rotational diffusion coefficient measured by depolarized FPI may be combined to obtain the dimensions of non-spherical particles. DLS studies of liquid dispersions of nanometer-sized oligonucleotides in a water-based buffer are used as examples.