易流态货物在船舶运输过程中,一旦含水量超过其适运水分极限且持续遭受外部动载荷的作用,货物有可能出现流态化。流态化的形成,会进一步削弱船舶稳性,严重时甚至引起船舶倾覆事故。IMSBC规则虽然给定了测定货物适运水分极限的一些方法和经验,但是对于货物流态化的机理和影响货物流态化的主要因素的研究不够深入。考虑到流态化的发生和货物颗粒与水的相互作用有很大联系,因此本文以铁精矿和镍矿作为主要研究对象,对易流态化货物流态化过程宏观演化规律及细观颗粒-水相互作用特性做更进一步的研究。宏观角度,本文重点研究了铁精矿流态化过程的演化规律及不同因素对其流态化的影响。通过开展基于室内摇摆台的模型试验,研究了垂荡和横荡条件下不同含水率的铁精矿在模型舱内的流态化行为。试验结果表明,铁精矿流态化的演化过程与内部孔隙水迁移之间有着很大的关系。总体上,随着水分向上迁移,铁精矿表层呈现“干燥—润湿—形成浆糊混合物—大量水分析出”的变化规律,存在明显的表层沉降现象。试验结果进一步证实,外部荷载是引起货物流态化的重要先决条件。本文试验工况条件下,垂荡运动过程中超孔隙水压力始终在0.02 k Pa以下波动,而横荡运动过程中超孔隙水压力最大值可达0.66 k Pa。由此说明,相比垂向加速度,横向加速度更易引起货物发生流态化。试验结果还表明,含水率是影响铁精矿发生流态化的关键因素。其中,横荡加载试验过程中存在一临界含水率18%,使得舱内铁精矿中部和底部的超孔隙水压力同时波动上升,发生流态化行为。另外,通过室内三轴压缩试验,得到了饱和铁精矿在100 k Pa围压条件下的超孔隙水压力、偏应力与应变的关系,为后续数值验证提供了有效试验数据支撑。同时该试验结果表明,轴向荷载作用下饱和铁精矿具有先剪缩后剪胀的特性,该特性和孔隙水压力的波动变化有着重要的联系。细观角度,本文采用颗粒流软件PFC3D建立起不同条件下舱内易流态货物的流态化数值模型,重点研究了货物流态化过程中颗粒-水相互作用特性及各种因素对其流态化过程的影响。考虑到颗粒-水的相互作用,针对饱和铁精矿,以室内三轴压缩试验为基准,通过常体积控制法与Hertz-Mindlin接触模型相结合的方法实现孔隙充满水的条件。而针对实际船载镍矿,以静倾斜试验作对照,通过迭代滚动阻力线性模型中颗粒摩擦和滚动摩擦的组合以近似替代不同含水率的影响。根据室内三轴压缩数值验证所得到的校准后的模型参数,本文首先建立起基于室内振动台的饱和铁精矿流态化数值模型,重点从超孔隙水压力和超孔压比的角度详细讨论了不同加速度对铁精矿流态化过程的影响。数值模拟结果表明,不同加速度条件下,饱和铁精矿流态化程度不完全相同。总体上,加速度越大,颗粒与水之间的相互作用愈加激烈,孔隙水越容易受到挤压,导致超孔隙水压力和超孔压比快速波动上升,促使货物逐渐丧失抗剪强度的同时,进而发生流态化行为。而对于实际船载镍矿,本文首先开展了全尺寸建模数值校准工作,包括颗粒半径和时间步长的敏感性分析、静倾斜试验和物料装载试验,排除尺寸效应的影响,以确保获得真实条件下的材料行为。然后建立起基于灵便型散货船典型货舱的镍矿流态化数值模型,并通过设置48组数值仿真工况,从重心、接触力等角度详细分析了含水率、粒径级配、初始孔隙率、荷载形式等因素对舱内镍矿流态化过程的影响。数值模拟结果表明,含水率是影响镍矿流态化的重要内在因素,且存在一临界含水率39%,使得当镍矿含水率达到39%以上时,重心出现较大偏移,开始发生流态化行为。随着含水率的增加,镍矿颗粒间的相互作用力进一步加强,镍矿表现出较大的流动性,舱内甚至会出现较为严重的货物偏载现象。另外,细颗粒含量和外部荷载形式均会对货物流态化产生较大影响。特别地,存在一临界细颗粒含量15%,使得货物在达到该值时最易发生流态化。随着运动幅度的增加,货物的稳定性逐渐下降,流态化程度进一步加深,而运动频率则不同,存在一临界频率位于0.20～0.40 Hz,一旦超过该频率,货物颗粒间运动更为剧烈,引起货舱受到更大的冲击力。