筒仓散装粮堆边界压力试验及理论研究

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粮食等散体物料具有复杂的力学特性。由于可以承受静态剪切力,导致其空间静应力不能像流体压力计算那样取零剪切力的静态“固-液”边界,而是要考虑有剪切力的“固-固”边界,同时还需要确定物料的本构关系。目前,在筒仓粮食储料压力理论分析中,小麦等粮食物料还没有适宜的本构模型,而储料压力问题的边界条件也仅是简单定义仓壁边界和粮堆自由面两处,限制了储料压力问题的求解精度和适用范围。因此,仅以目前的条件难以推导普适的粮食压力的计算方法。而试验研究又受到填料方式、仓体变形、填料时内置传感器偏移、粮堆内部应力及仓壁摩擦力难以观测等问题的困扰,有效且可重复的试验方案还很少见。对此,本文以筒仓散装粮堆为研究对象,进行了模型筒仓试验及储料压力理论研究,主要内容如下:(1)提出筒仓内部的摩擦力(仓壁摩擦力和粮堆内部竖向切应力)沿仓径方向和深度方向的变化是造成粮堆同一深度竖向压力不均匀分布的主要因素。基于数值模拟结果和试验数据,讨论了在筒仓直径、装粮高度、外摩擦系数、粮堆深度、深度比等因素影响下,摩擦效应在仓壁处和粮堆内部的分布规律,并以此提出了筒仓摩擦效应的分段数学表达式。(2)根据筒仓摩擦效应的分布规律,本文将粮堆沿纵向分割为n个同心圆环,假定每个同心圆环上竖向压力均匀分布,根据平衡方程推导出粮堆空间任意一点处竖向压力的计算方法。该计算方法与数值模拟结果具有较好的一致性。(3)将侧压力系数及外摩擦系数耦合为一个可量化的指标参数λ,通过模型仓试验,观测了不同填充高度下,粮仓系统整体及其内部假想同心圆柱隔离体的λ。研究结果表明,对于大尺寸粮仓,即便不做侧壁动员处理,无论是整体颗粒,还是从粮仓系统中分离出的假想柱形隔离体都能维持其特征高度为定值这一现象,但不同隔离体的特征高度有所不同。提出将粮仓内部不同区域的特征高度的差异作为造成仓底颗粒压力不均匀分布的主要因素,将有助于进一步解析粮仓空间压力分布细节。(4)基于弹性力学思想,提出一种计算柔性筒仓仓壁侧压力的计算方法。结果表明,对于柔性筒仓,使用Janssen公式得到的仓壁侧压力值将大于实际值,且误差会随着粮堆深度的增加而增大,这是仓壁内部轴向应力和径向应力的影响逐渐显著导致,此时由公式T=p_HR计算仓壁侧压力便不再妥当,建议使用广义胡克定律进行分析。
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