基于有限元的散体货物对敞车静侧压力研究

以C80B敞车为研究对象,基于有限单元法,由连续介质理论,认为散体货物服从Drucker-Prager屈服准则,采用面面接触法建立敞车三维有限元模型,对散体作用于敞车端、侧墙的静侧压力进行有限元分析,并对散体的内摩擦角、泊松比、散体与敞车摩擦角进行参数分析.研究结果表明:侧压力沿敞车墙高非线性分布;侧压力在敞车端、侧墙处由中心至两端侧压力逐渐减小,呈现一种立体化分布的状态;内摩擦角增大导致侧压力减小的趋势逐步的放缓;泊松比增大导致侧压力减小的趋势逐步的增大;外摩擦角对端、侧墙侧压力的影响并不相同;外摩擦角对散体侧压力的影响较之内摩擦角、泊松比要微弱.     

筒仓侧压力的颗粒流数值模拟

本文采用基于离散单元法的颗粒流程序建立了一种筒仓缩尺模型,首先对筒仓缩尺模型进行了静态侧压力的数值模拟,并把模拟结果与原型筒仓的Janssen计算值进行了比较;接着在静态侧压力符合的基础上,对该模型筒仓进行了卸料过程的模拟,并得出筒仓卸料时的动态侧压力值的变化情况和最大动态侧压力值及超压来数的大小.     

粗粒土大型静止侧压力系数测定试验的颗粒流模拟

静止侧压力系数K_0是粗粒土重要的力学参数。采用基于离散元理论的颗粒流数值分析和室内试验相结合的方法,建立了粗粒土大型静止侧压力系数试验的三维颗粒流模型,模拟结果与室内试验具有良好的一致性。在总结数值试验结果的基础上,分析了粗粒土的位移和力链的细观变化过程,并研究了不同竖向应力下细观参数与K_0的关系曲线,探讨孔隙率、颗粒摩擦因数、切向刚度、法向刚度等参数对粗粒土K_0的影响规律,并建立了细观参数和粗粒土K_0的函数关系。结果表明:相同竖向应力下试样K_0随着孔隙率的增大逐渐增大,但增大趋势趋于平缓;试样K_0与摩擦因数存在线性负相关关系;在相同竖向应力下,试样法向接触刚度越大或切向接触刚度的越大时,K_0越小。     

基坑排桩桩间土拱效应的颗粒流模拟研究

基坑支护排桩之间净距离的大小对桩后土体的受力与变形会产生影响,采用连续介质研究方法无法研究相邻桩之间土拱的形成对桩后土体的影响.本文采用颗粒流软件PFC 2D对桩间水平土拱的形成、发展及失效整个过程进行数值模拟,分析了桩间距对土拱效应的影响,并对比了方形桩和圆形桩在产生土拱效应方面的差异.本文研究从微观方面揭示了土拱效应形成及破坏的机理,分析发现土拱的最大承载力、桩的最大荷载分担比随桩间净距与桩径比值的增大而减小,并且在相同的桩间距情况下,方桩受力性能优于圆桩.因此,在进行支护桩设计时,应选择合理的桩型和桩间距从而达到优化设计、节省投资的目的.     

软土地基上填土土坡滑动颗粒流模拟

采用颗粒流方法的基本理论,结合软土地基上填土土坡稳定工程实例,利用二维颗粒流程序(PFC2D)对土坡的接触应力场和位移场进行了模拟。根据土坡位移场的变化来确定滑动面的位置和形状,克服了传统连续介质力学的宏观连续性假设,这比传统土坡临界滑动面搜索方法更加合理。颗粒流方法模拟的滑动面近似为对数螺旋面,这与滑坡后实测的滑动面形状比较吻合。基于瑞典圆弧滑动法和颗粒流位移场得到的滑动面,计算和比较了土坡稳定的安全系数。     

真三轴条件下单裂隙砂岩破坏过程的颗粒流模拟

采用颗粒流程序从细观角度对在真三轴条件下含单裂隙砂岩的裂纹扩展贯通模式、破裂机理展开研究,重点讨论了不同中主应力对单裂隙砂岩裂纹扩展和其力学特性的影响.研究结果表明:在真三轴压缩条件下,中主应力有助于增大含裂隙砂岩的强度,但过高的中主应力会加快裂纹的扩展、贯通,从而形成宏观破裂面;当中主应力的作用方向与裂隙走向垂直时,裂隙岩石的破坏模式为垂直于裂隙走向形成宏观剪切破裂面,含裂隙砂岩在真三轴压缩条件下的破坏主要为伴随拉破坏的剪切破坏机制.     

散体颗粒在滚筒内运动特性的实验研究与数值模拟

通过实验方法研究了不同转速下丝状散体颗粒在滚筒内的运动状态,并采用烟丝作为实验材料,测量其在滚筒内的停留时间.实验结果表明:滚筒烘丝机转速越大,颗粒在抄板的提升作用下运动越剧烈,做圆周运动的时间越少,从而导致颗粒在滚筒内的总停留时间越短.在该实验基础上利用"虚拟颗粒团"方法对滚筒内散体颗粒的运动过程进行数值建模,得到的模拟结果与实验数据吻合较好.因此,采用此数学模型模拟不同滚筒倾角条件下丝状颗粒在滚筒内的运动过程,模拟结果显示:滚筒倾角越大,丝状散体颗粒在抄板和滚筒壁面的综合作用下,纵向运动时间越少,颗粒在滚筒内停留时间越短.     

砂土抗剪强度数值模拟的关键技术研究

利用二维颗粒流软件PFC 2D对砂土的抗剪强度进行研究。通过建立数值试样模型、设立相对合理参数、引用"橡皮膜"程序等方法对砂土的三轴剪切试验进行数值模拟,模拟的结果较好地反映了砂土的力学性质。     

基于颗粒流程序的非定常西原体模型

为实现岩石试样蠕变全过程的准确模拟,并从细观角度探究蠕变过程中微裂隙的发生和发展规律,在二维颗粒流程序(PFC2D)中开发出具有黏弹塑性特征的西原体流变接触本构模型,进一步提出包含两种非定常元件的非定常西原体模型,推导了模型本构关系和蠕变方程.在PFC2D中调用自定义西原体流变模型,通过参数调试,获得与真实试样具有相同强度特性的数值试样.以室内单轴压缩蠕变试验数据为基础,在Matlab中对模型非定常参数进行拟合反演分析.在此基础上,进行单轴压缩蠕变试验的模拟,计算过程中分别采用定常和非定常两种模型,并对微裂隙进行监测.对比分析结果表明:定常模型仅适用于衰减和稳定蠕变阶段;非定常模型也可用于描述加速蠕变阶段,从而准确模拟蠕变全过程;加速蠕变阶段主要是由微裂隙的加速发展而产生,加速蠕变将导致试样剪切破坏.     

基坑开挖变形的颗粒流数值模拟

采用基于散体介质特性建立的颗粒流细观力学数值方法,通过二次开发对重力式搅拌桩围护基坑的开挖过程和宏细观力学响应进行了研究.结合具体工程,基于相似理论建立了基坑的数值模型,通过双轴试验确定了土的细观力学参数,将土体细观结构特征和宏观力学响应联系起来,重点分析了开挖过程中基坑外土体沉降、基坑内土体隆起及围护桩水平位移等变化规律,模拟结果与实测结果具有较好的一致性,初步验证了用颗粒流方法模拟基坑开挖的可行性,也为从微细观角度研究围护结构和土相互作用机理提供了新的途径.     

面阵CCD空间滤波技术测量颗粒流速度场分布

为解决线阵CCD空间滤波技术无法直接测量滚筒颗粒流速度场的整体分布,并且难以准确测量颗粒流中具有复杂速度变化的单点区域的问题,提出了基于面阵CCD空间滤波技术的滚筒颗粒流测量方法。通过对采集图片进行分割,模拟子滤波器,对每个模拟子滤波器区域分别进行空间滤波测速,最终得到滚筒颗粒流速度场整体分布。对于滚筒颗粒流中具有复杂速度变化的边壁区域采用正交算法进行速度矢量和运算,避免了角度测量的误差,从而提高了对单点位置速度测量的精度。最后,搭建了实验装置,对测量方法进行了实验验证,并分析了方法时空分辨率,标定了方法精度。研究结果表明,该方法能够测量滚筒颗粒流速度场整体分布,测量误差小于2%。     

高速列车行驶速度对隧道壁面气动压力影响的数值模拟

壁面气动压力长期循环作用是高速铁路隧道衬砌掉块的重要诱因,为研究高速列车行驶速度对壁面气动压力基本特征的影响规律,采用三维数值仿真模拟对隧道典型位置(入口段、洞身段以及出口段)壁面气动压力进行研究。结果表明:列车车头经过使得监测横断面气动压力差异性增强,表现出显著的三维特征。隧道入口段气动压力三维特征主要受压缩空气所占体积大小以及与隧道入口之间距离的影响,气动压力三维特征随着进入隧道入口距离的增加而减弱,并逐渐向一维特征转变。列车车头驶入隧道入口后,车尾驶出隧道出口前,洞身段不同测点位置的气动压力正峰值主要受车头进入隧道入口诱发压缩波的影响,纵轴中断面测点气动压力负峰值与峰峰值大于洞口段。车尾驶出隧道出口后,出口段测点气动压力负峰值大于入口段,正峰值小于入口段。隧道出口段气动压力三维特征与入口段相似,但列车行驶速度以及测点与隧道出口之间距离对气动压力三维特征的影响机制更为复杂。     

颗粒材料力学特性的数值模拟

针对颗粒介质特殊的力学特性,研究了二维颗粒堆积体中力的传递与分布,应用离散元理论建立数值模拟模型,并计算了堆积体中的接触力.结果表明,计算结果与物理试验现象较为吻合,在模拟中同时反映了颗粒介质中的拱效应和双峰现象.     

簧片哨空化流场的Fluent软件数值模拟

使用基于有限体积法的计算流体动力学软件Fluent,采用标准k-ε模型和多相流空化模型,对簧片尺寸一定、不同喷口厚度和不同喷口与簧片间距的悬臂式簧片哨内的空化流场进行数值模拟,通过计算簧片哨内湍动能、压力和速度分布,研究了操作参数、簧片哨的结构对空化效果的影响.结果表明:悬臂式簧片哨的空化主要发生在簧片尖劈处,簧片哨的操作参数以及结构形式对空化效果有着明显的影响.     

An analytical solution to Boltzmann equation of dilute granular flow with homotopy analysis method

The homotopy analysis method （HAM）, as a new mathematical tool, has been employed to solve many nonlinear problems. As a fundamental equation in non-equilibrium statistical mechanics, the Boltzmann integro-differential equation （BE） describing the movement of particles is of strong nonlinearity. In this work, HAM is preliminarily applied to dilute granular flow which is relatively simple. By choosing the Maxwell velocity distribution function as the initial solution, the concrete expression of the first-order approximate solution to BE with collision term being the BGK model is given. Furthermore it is consistent with the solution using Chapman-Enskog method but does not rely on little parameters.     

颗粒流本构关系的实验研究

基于"拟流体"的思想,给出了测量颗粒流本构关系的实验方法.在颗粒斜槽流实验中,通过颗粒的抛物线运动计算流层速度分布,根据非牛顿流体理论求得颗粒流黏性的本构关系;建立了颗粒斜槽流的数学模型,流层的速度为指数分布,流量为斜槽倾角和流层厚度的函数.以小麦颗粒为例,实验结果与用"拟流体"方法所得的预测值进行比较,相对误差在13%以内.     

压力筛内部纸浆悬浮液流场的数值模拟

为了克服废纸浆压力筛筛浆过程中孔、缝堵塞问题,在分析测试废纸浆在不同浓度下黏度的等流体特性的基础上,通过Unigraphics NX(UG)软件对压力筛内部流场建立模型,运用计算流体动力学软件(ICEM CFD)和FLUENT软件对压力筛内部纸浆悬浮液流场进行数值模拟,得到了压力筛内部筛浆区流场的压力、湍流强度和流速的分布。结果表明:对于常用典型代表性的浆料和结构特征以及运行参数的压力筛,波纹筛板湍流强度最高为306%,而筛孔内湍流强度最高为128%;筛孔进口处最大流速为8.16 m/s,出口处最大流速为3.5 m/s,平均流速约为1.2 m/s;筛框处旋翼头部静压力最大约为1.8×105Pa,旋翼尾部静压力最小约为6.92×104Pa。     

流体在螺旋管内对流换热和压降性能的数值模拟

分别对螺旋椭圆管和螺旋扁管建模并进行数值模拟和理论分析,对比研究两种螺旋管道的流动换热性能及沿程换热情况,结果表明:层流范围内,螺旋扁管的换热性能好于螺旋椭圆管,但流动阻力较大,根据综合性能评价因子得知螺旋扁管较好;湍流范围内,螺旋椭圆管性能好于螺旋扁管.沿程换热情况表明螺旋管长约为0.5 m时换热效果最佳,同时螺旋管几何尺寸对换热性能也有影响.     

基于承载板试验的粒料层非线性弹性参数反算方法

提出了一种基于现场承载板试验的粒料层非线性弹性参数的反算方法,即根据路面粒料层表面上承载板试验时逐级加载测试的弯沉,应用非线弹性有限元方法和改进的非线性最小二乘法反算粒料层的非线性弹性模型参数,并针对反算过程中的缺陷提出了修正方法.在此基础上研制了粒料层非线性弹性参数反算软件,并将粒料层非线性计算的理论弯沉与现场承载板试验的实测弯沉进行对比,论证了所提反算方法的合理可行性.