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摘要:为了研究颗粒流在平行板之间的剪切膨胀特性,文章针对平行板颗粒流的理想状态,利用离散元法(discrete element method,DEM)建立了颗粒物质剪切流的二维数值Hertz-Mindlin接触模型,并分别从驱动面摩擦因数和剪切膨胀个数出发,通过改变颗粒的内外参数变化来探究颗粒流的剪切膨胀特性.结果表明:载荷增大则驱动面摩擦因数减小,速度增大则驱动面摩擦因数增大;随着载荷的增加,剪切膨胀个数先增大后减少,即剪切膨胀出现的可能性降低并最终消失;而随着速度的增大,剪切膨胀个数呈先增大后趋于稳定的趋势;颗粒层数的增加使得剪切膨胀个数不断增加,而随着颗粒粒径的减小,剪切膨胀个数呈现递减趋势.
[硕士论文] 侯淑晴
机械工程 合肥工业大学 2018(学位年度)
摘要:颗粒物质界面的非稳态性,是微观尺度下的重要研究方向,它往往直接影响宏观力学响应,宏观摩擦系数的非线性变化。在土力学和摩擦学领域有着重要的研究价值和意义。本课题的研究背景是基于受限空间下的颗粒非稳态行为特征,由于微观颗粒运动的复杂性很难用实验进行观测,所以采用有限元技术对界面颗粒力学行为展开深入性研究,并对颗粒在受限空间内的力链形态变化与颗粒微观运动方式做初步的探索。
  首先,本文建立了界面受限空间内颗粒体的二维有限元模型,模拟颗粒在不同受压载荷下,不同接触摩擦系数以及下表面不同速度下的运动过程。结果表明:颗粒与下表面接触摩擦力的最大值随着载荷的增加是逐渐增加的,并且摩擦力一直处于波动的状态,是非稳态的一种表现形式。摩擦力与速度并不是成正比关系,而是存在类似“两极分化”的规律,即高速和低速下,摩擦力都相对较大,而中等速度下,摩擦力较小。
  其次,为了更清晰的反映颗粒的非稳态特性,本文还分析了速度,载荷,摩擦系数对颗粒以及上下表面的速度位移波动影响。在剪切阶段,颗粒位移开始不断增加,随着载荷的增大,颗粒之间的位移差越来越大。颗粒的运动是无规律逐渐加剧。不同载荷下,弹性颗粒的速度波动都呈现出两端波动较为剧烈,中间波动微弱。此外,摩擦系数对上表面在x轴方向的位移波动成“W”型趋势,但摩擦系数的改变对位移的波动变化影响较小。随着速度的增大,下表面位移波动加剧,频率增高。速度对颗粒位移的影响也呈现“两极分化”。模型的摩擦耗散能和动能基本上与受压载荷和滑移速度成正比关系。能量的耗散主要是由于力链的能量变化,颗粒的滑动和转动导致了周围颗粒发生滑移或转动,从而使得强力链减弱或者断裂。而动能的增加基本对应着弹性势能的释放,动能变化激烈时,剪切带开始出现。载荷较小以及速度较小和较大时都会对颗粒的非稳态性造成不利的影响,而较大载荷和速度较大但不达到一定程度时都可以使得受限空间内的颗粒较好的隔绝表面之间的微凸体接触,达到润滑的效果,颗粒的非稳态性也较弱。在实际工程应用中,适当的调节受压表面的承载以及界面之间的相对滑动速度可以达到最佳稳态性。
  最后对颗粒的力链形态演变与颗粒微观运动方式进行了初步探究。“U型”力链和环状力链类似,都是极不稳定的。而被较多的弱力链包围的强力链处于相对稳定的结构当中。同时,颗粒在剪切带中的旋转运动方式也符合颗粒的接触运动模型。
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