筒仓卸粮成拱及其对仓壁超压作用的动态演进机制研究

In recent years, the unloading grain arching accidents in silo occur frequently, therefore, in this project, the dynamic evolution mechanism for the silo unloading grain arching and its overpressure effect on the silo wall will be researched by theoretical analysis, grain arching test, physical model test and the discrete element numerical simulation. The main study of this project are as follows: (1)based on the collected data of typical accidents, the test device for the physical properties of grain arching will be transformed and fabricated, then the macro and micro mechanical parameters of grain arching including friction force will be obtained; (2)the dynamic forming process of silo unloading grain arching will be studied by physical model test and discrete element numerical analysis. Then the mechanics for the effect of mesoscopic parameters change on macroscopic arching characteristics will also be discussed.(3)based on the macro and micro test results above, the main affecting factors about unloading grain arching will be determined, the conditions of the unloading grain arching and the related quantitative models will be established.(4)the dynamic variation of silo wall overpressure during unloading grain arching will be studied by laboratory test and discrete element numerical simulation, then the dynamic mechanism of wall overpressure will be discussed .At last, the method for calculating the silo wall overpressure during unloading grain arching will be put forward based on the theories such as energy conservation and limit equilibrium. This project research can provide the technology theory supporting for the design of preventing arching, it can also improve the capacity of grain production safety and disaster prevention, which have important practical and theoretical significances.

本项目针对近年来频发的筒仓卸粮成拱相关事故,通过理论分析、粮食成拱物性测试、物理模型试验及离散元数值模拟等,研究筒仓卸粮成拱及其对仓壁超压作用的动态演进机制。本项目主要研究内容包括：(1)系统分析典型事故资料,改造和制作粮食成拱相关物性测试装置,通过试验获取粮食摩擦力等物理力学参数并建立数学模型；(2)通过物理模型试验、离散元数值分析研究筒仓卸粮成拱的动态形成过程,探明粮食细观参数变化对其宏观成拱特性的力学相应机制；(3)量化分析宏、细观试验成果,确定筒仓卸粮成拱的主要影响因素,明晰筒仓卸粮成拱条件并建立量化模型；(4)基于室内试验及数值模拟成果,研究筒仓卸粮成拱中的仓壁压力动态变化,揭示仓壁超压的动态形成机制,运用能量守恒等理论,提出卸粮成拱时仓壁超压荷载的计算方法。项目旨在为筒仓防拱设计提供技术支撑,对粮食行业的安全生产及防灾减灾具有重要的现实和理论意义。

近年来，筒仓卸粮成拱相关灾害事故频发，时刻威胁着我国粮食储运和人身安全,已经成为粮食行业一个不容忽视的安全问题，本项目针对此进行了系统研究。项目主要研究内容有：(1)系统分析典型事故资料,改造和制作粮食成拱相关物性测试装置,通过试验获取粮食摩擦力等物理力学参数并建立数学模型；(2)通过物理模型试验、离散元数值分析研究筒仓卸粮成拱的动态形成过程,探明粮食细观参数变化对其宏观成拱特性的力学相应机制；(3)量化分析宏、细观试验成果，确定筒仓卸粮成拱的主要影响因素,明晰筒仓卸粮成拱条件并建立量化模型；(4)基于室内试验及数值模拟成果,研究筒仓卸粮成拱中的仓壁压力动态变化,揭示了仓壁超压的动态形成机制,提出卸粮成拱时仓壁超压荷载的计算方法。项目取得的重要成果及数据有：（1）通过室内试验测定了其常规宏、细观物理力学参数，设计了试验测量仪器，进行了不同速度下摩擦角与摩擦系数的测定与研究；（2）通过成拱试验，明晰了各个主要影响因素与成拱之间的定量关系；（3）运用离散元模拟软件，建立缩尺模型模拟筒仓卸料成拱过程，通过对模拟的仓壁侧压力数据进行分析得到了仓壁超压的动态变化，建立了典型粮食-筒仓分析模型；（4）基于试验、模拟数据及相关理论研究，得出了散料成拱条件以及成拱过程中压力分布传递规律，建立了成拱动态压力分布力学公式；（5）将超压过程分为两个阶段，修正了仓壁超压系数K的计算公式，针对筒仓卸粮过程中周而复始的瞬时拱成拱塌陷现象，选取未完全成拱，坚实成拱，和拱体塌陷三个时刻，量化其接触应力分布，明晰其力学演化机制。项目研究揭示了卸粮过程中的粮食细观物理力学参数变化对其宏观成拱特性的力学响应机制,明确了筒仓卸粮成拱条件并建立量化模型,分两阶段定量粮食成拱时仓壁超压荷载并提出了相应计算方法,为筒仓防拱设计、预防筒仓卸粮成拱次生灾害提供了理论依据,对于提高粮食行业安全生产和防灾减灾能力具有重要的理论和现实意义。