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.     

基于离散元方法的松散体滑动堆积特性及影响因素分析

松散体结构松散,是崩塌、滑坡等地质灾害的主要物源,其致灾范围受含石量和坡度等因素影响较大.传统的对松散体滑动堆积特性的研究多为宏观或定性分析,对细观的内在运动机理研究较少.本文采用离散元方法定量分析了含石量和坡度变化对松散颗粒滑动后的冲程、堆积宽度、最大厚度、堆积面积、堆积轮廓形状、堆积区体积、静堆积角和累积质量等堆积特征值的影响,并从颗粒的能量和接触力角度探讨了松散体灾变过程中的运动和堆积特征,以揭示颗粒之间的相互作用机理.研究结果表明:含石量在0—70%范围增加时,冲程、堆积宽度和堆积面积均先增大后递减,最终累积质量减小;坡度在30°—65°范围增大时,冲程、堆积宽度、堆积面积和累积质量均会增大,最大厚度近似线性减小,静堆积角近似二次函数减小.此外,粗、细颗粒在堆积区的体积占额存在一个临界距离L_c,当距坡脚线距离L c时,细颗粒大于粗颗粒所占体积;当L> L_c时,细颗粒小于粗颗粒所占体积.     

颗粒堆内微观力学结构的离散元模拟研究

将离散单元法应用到三维堆积过程的模拟计算,探讨了滑动摩擦及滚动摩擦对堆积形成的影响,得到了颗粒堆内部的应力分布规律,发现颗粒堆的形态是由滑动摩擦和滚动摩擦共同决定的,在堆内颗粒间的作用力基本呈树状结构.在模拟得到的颗粒堆中出现了应力分布奇异现象,在堆积角较大的情况下,颗粒堆与地面间作用力的最大值常发生在距堆底中心不远的环状区域,而并非发生在堆底的中心;在堆积角相对较小时颗粒堆与地面间作用力的最大值较容易发生在堆底的中心.对于一个颗粒堆,具体会发生哪种受力情况具有一定的偶然性. 关键词： 堆积 离散单元法 计算颗粒力学     

脉动流化床内球柱形颗粒流动行为研究

本文结合离散单元模型和计算流体力学方法对脉动流化床内气固流动特性进行数值模拟.结果表明,脉动气流的波形和振幅对球柱形颗粒的流动行为有明显的影响.方波脉动气流作用下的时均颗粒总平动和旋转动能最大,其次是正弦波脉动和三角波脉动,恒定气流下的最小.功率谱分析结果可以发现方波气流下主频幅度最大,其次是正弦波、三角波和恒定气流....     

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.     

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。     

薄滚筒内二元湿颗粒体系混合行为的离散单元模拟研究

采用所建立的四方程线性弹性-阻尼离散单元模型,同时考虑了液桥力的作用,对填充量为40%、含液量为3%的水平薄滚筒内S型(不同直径颗粒)二元湿颗粒体系混合过程进行了数值模拟,并与同等操作条件下不含液的干颗粒体系的混合行为进行了比较,分析了液体对颗粒体系混合行为的影响. 同时还将计算结果与文献中的实验结果进行了比较. 结果表明,由于湿颗粒间液桥力的牵引作用使不同性质的颗粒不易分离,使部分颗粒聚结成团,减弱了离析作用的影响,使得滚筒内湿颗粒的混合程度高于相同条件下的干颗粒体系,且接触力的分布较干颗粒体系更加均匀. 通过对混合过程的模拟,直观地反映了混合过程中颗粒的微观运动特性和内部的力学结构,为研究湿颗粒体系混合过程机理提供了依据和参考. 关键词： 湿颗粒体系 混合 分离 离散单元法     

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.     

颗粒离散元模拟中的阻尼系数标定

离散元模型中所采用的阻尼系数是不确定的,经常凭主观经验设定.为了使得物理模型与现实中的颗粒动力学属性符合更好,通过采用声频采样技术对物理模型中的阻尼系数进行标定,得出与实验符合的阻尼系数应为0.5左右.利用标定后的阻尼系数模拟了一元颗粒在圆柱形容器里的随机堆积过程,得到最终的堆积密度为0.625,与经典的实验结果一致.研究证明,在得到模型阻尼系数的同时,也确认了数值模型的正确性和用声频采样技术进行高精度碰撞时间检测的可行性. 关键词： 颗粒堆积 阻尼系数标定 声频采样 离散元法     

带有点缺陷的二维颗粒系统离散元模拟

首先用离散元方法研究了颗粒系统在各向同性挤压和纯剪切状态下粒子间力的分布情况,并与相同条件下的实验结果进行对比. 然后模拟了带有不同数目点缺陷的二维颗粒系统在各向同性挤压和纯剪切时粒子间力的分布情况,并与无缺陷的情况做了比较,发现了点缺陷对颗粒系统的影响规律. 关键词： 颗粒系统 离散元 点缺陷 力概率分布     

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.     

Discrete element simulation of localized deformation in stochastic distributed granular materials

The deformation in granular material under loading conditions is a problem of great interest currently. In this paper, the micro-mechanism of the localized deformations in stochastically distributed granular materials is investigated based on the modified distinct element method under the plane strain conditions, and the influences of the confining pressure, the initial void ratio and the friction coefficient on the localized deformation and the stability of granular materials are also studied. It is concluded, based on the numerical simulation testing, that two crossed shear sliding planes may occur inside the granular assembly, and deformation patterns vary with the increasing of transverse strain. These conclusions are in good agreement with the present experimental results. By tangential velocity profiles along the direction normal to the two shear sliding planes, it can be found that there are two different shear deformation patterns: one is the fluid-like shear mode and the other is the solid-like shear mode. At last, the influences of various material parameters or factors on localized deformation features and patterns of granular materials are discussed in detail. Supported by the Key Project of the National Natural Science Foundation of China (Grant No. 10532040)     

重力作用下颗粒介质应力链的离散元模拟

用离散元的方法模拟了仅有重力作用的二维颗粒系统内部力的分布情况,并根据力的大小得到颗粒之间的应力链.模拟结果与颗粒介质研究中的两个著名模型q模型和α模型作了对比,并与光弹实验的结果作了比较.对比结果表明,模拟结果与实验相似,而与两个概率模型有一定的差异.另外计算结果还表明,颗粒介质中力大小的概率分布极为不均匀,较大的力概率呈指数衰减,应力链的分布具有分形特征. 关键词： 颗粒介质 离散元 应力链 光弹实验     

运用三维离散元技术模拟落锤撞击下奥克托今颗粒的点火燃烧过程

炸药颗粒的点火燃烧过程一直是人们关注的热点问题。近年来,三维离散元技术在中尺度观测颗粒材料的动力学过程中拥有显著优势。炸药燃烧属于颗粒材料的反应动力学,运用三维离散元技术(DM3)可以有效地观测炸药燃烧传播的过程。以奥克托今(HMX)颗粒为例,本文成功模拟并观测到了HMX颗粒的燃烧反应程度,确定了颗粒开始燃烧反应的时间,以及燃烧反应传播的时间。同时,结合落锤冲击颗粒的三维图像以及其表观压强和放热功率,得到了HMX颗粒燃烧反应、燃烧传播的整个反应动力学过程,包括颗粒在冲击加载下碎化塑性变形的过程,颗粒燃烧反应放热的过程,落锤回弹颗粒喷射的过程等。同时,进一步说明了尖顶颗粒更利于颗粒点火,平顶颗粒有抑制颗粒点火的能力。     

基于三维离散元方法研究热点的位置和温度对奥克托今颗粒点火燃烧的影响

炸药的点火燃烧特性与炸药的安全和使用密切相关,其一直是研究者重点关注的问题之一.普遍认为,凝聚炸药起爆的关键是热点.基于此,本文采用三维离散元方法,以奥克托今(HMX)颗粒为研究对象,探究了HMX颗粒中不同位置和初始温度的热点对其燃烧过程的影响.结果发现,热点的不同初始温度和位置都会对HMX炸药颗粒的燃烧特性造成影响.由于处于炸药内部分散位置的热点表面积较大,其相比集中的热点更有利于HMX炸药颗粒的起爆.并且研究发现,并不是热点的温度越高越有利于炸药的起爆,这也取决于炸药颗粒的含量.本文的研究工作对炸药的实验研究以及军事应用提供了一定的参考.     

巴西果效应分离过程的计算颗粒力学模拟研究

采用离散单元模型对巴西果问题进行了模拟研究,采用本数学模型可以准确地预测出垂直机械振动导致的不同大小颗粒的分离现象.分析了影响振动床内颗粒分层的因素,讨论了振动频率、振动幅度等参数对分层的影响,发现振动频率和振动幅度会对分离效果造成较大的影响.当振动频率或振动幅度较小时,颗粒整体分离效果都较差,但分离的稳定性较好,当振动频率或振动幅度较大时,整体分离效果仍然较差,同时分离的稳定性也较差,振动分离过程中存在一个频率和振幅适中的最优操作点. 关键词： 分层 振动 模式形成 离散单元方法