复杂结构料仓的应力分析

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颗粒材料在自然界和工程中极普遍,一般分为粉体和散体。料仓是用来把各种散体材料存储起来的容器。目前,由于料仓事故在世界各地的发生,使得料仓的安全问题得到了人们的重视。这也就使得料仓内部应力的研究成为各个国家和地区研究的重点。现有的料仓应力的理论计算公式中以Janssen公式最为经典,但是该理论公式也只是计算了简易料仓的壁面应力,而对于具有复杂结构的壁面应力没有为研究提供依据的理论计算公式。针对这一问题,本文以某企业脱气仓壁面应力的Jenike报告值为依据,运用离散元分析软件PFC来模拟料仓的应力分布,进而修正所推导的理论公式,完成了以下工作,为设计提供参考。通过PFC软件首先模拟了简易料仓的壁面应力,并与Janssen理论公式结果进行对比,分析了PFC-2D与PFC-3D差别,再使用PFC-2D模拟了各种参数对壁面应力分布的影响。研究发现,PFC-2D比较适合做定性分析,PFC-3D比较适合做定量的分析,壁面应力随着颗粒的内摩擦系数以及壁面摩擦系数的减小而增大,也随着出料口宽度的减小而增大,而随着锥体倾角的增大而增大。以聚乙烯脱气仓为例,考察复杂结构料仓内的应力分布。又因该脱气仓拥有多个不同高度位置的改流体,结构比较复杂,尺寸也比较大。故本文使用了PFC-3D对该脱气仓进行了分段模拟,分别模拟了各个复杂段仓壁面的应力,最后合成了仓壁面应力的总的分布图,并与Jenike的报告值进行了对比。模拟结果与Jenike报告值趋势一致,但是有一定的偏差,这是由于模拟时所用的颗粒直径尺寸与脱气仓的直径尺寸比值比实际偏大所造成的。以Janssen假设为依据,推导了直筒和改流体段,倒锥体和改流体段,倒锥体段的仓壁面应力理论公式。运用PFC分析了侧压力系数的影响因素,进而对侧压力系数进行了修改。在以Jenike报告值为依据,校正了所推导的理论公式。对料仓内部进行了微观分析,不同粒径分布颗粒体系的空隙率跨度一般比较大,一般也比均一粒径颗粒体系的空隙率大。在直筒和倒锥体交接的地方,由于颗粒挤压比较激烈,使得空隙率偏小。还分析了卸料时壁面应力的分布,以及颗粒的速度分布,接触力网分布等情况。通过本文的工作可以得出:离散元法和所修正Janssen理论公式能够为复杂料仓的设计提供新的思路。
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