散体-连续体耦合系统振动特征演变规律及散体流动特性研究

The coupled granular-continuum system is a typical multiscale structure for transportation and loading/unloading, rock breaking and vibratory screening, the complicated excitation interferences, boundary conditions and nonlinear contact status lead to random and uncertain, strong nonlinearity of the coupled system and locally excessive vibration and incipient damage in the key structure parts, which have important effects on dynamic characteristics and stability of the coupled system to some extent. Therefore, the studies of the evolution of vibration characteristics and granular flow rule for coupled granular-continuum system become an impending issue. This project uses discrete element method, finite element method and granular dynamics theory, the arbitrarily coupled discrete element-finite element method is put forward, and the multi-body dynamic model considering interaction between granular and continuum structure is established. According to the contact and non-contact technologies, the studies is carried out from both kinematics and dynamics, to reveal the nonlinear vibration generation and propagation mechanisms of coupled system, understand granular flow regularity under the nonlinear vibration, and explore local vibration and incipient damage of the key structure parts. The research findings will provide technical support to optimum structural design, vibration control and early detection and evaluation of the coupled granular-continuum system.

散体-连续体耦合系统是应用于运输装卸、岩石破碎和振动筛分等工程领域的一种典型多尺度装置，其复杂激扰、边界条件、非线性接触状态等导致耦合系统在运行过程中具有随机非确定性、强非线性以及关键构件出现局部振动过度与微损伤现象，从而在一定程度上对耦合系统的动态特性及功能稳定性有重要的影响。因此，散体-连续体耦合系统振动特征演变规律及散体流动特性研究变得十分迫切。本项目基于离散元法、有限元法和散体动力学等理论，在提出一种任意耦合离散元-有限元方法的基础上，建立散体与连续体相互作用的耦合多体动力学分析模型，并配合接触式和非接触式测试技术，从动力学和运动学角度对其展开研究。揭示散体-连续体耦合系统的非线性振动产生和传播机理，掌握非线性振动下散体流动规律，探索关键构件局部振动过度现象、微损伤生成与演变规律中的复杂作用机制，进而为该类耦合系统的结构优化设计、振动控制和微损伤早期检测与评估提供技术支撑。

散体-连续体耦合系统广泛应用于颗粒运输装卸、岩石破碎和振动筛分等工程领域，但耦合系统的复杂激扰、非线性接触等导致其在运行过程中具有一定的强非线性、关键构件局部振动过度及微损伤等现象，进而成为制约该类设备稳定运行的瓶颈。因此，本项目针对散体-连续体耦合系统迫切需求解决的减振及稳定性等技术难题，以散体-连续体耦合系统为研究对象，围绕非线性振动产生与传播机理及散体流动规律这一关键科学问题展开研究。项目的主要研究进展及结果如下：(1) 结合弧长延拓技术获得改进的增量谐波平衡法，进而能更好的分析散体-连续体耦合系统。(2) 综合考虑连续体非线性因素的影响，分别建立了连续体/散体-连续体耦合动力学模型。在分析关键参数影响的基础上，获得系统非线性振动产生与传递特性及连续体的近似解析解。(3) 基于库伦摩擦力模型及碰撞理论，建立了散体滑动、跳跃运动模型，揭示非线性振动下散体的流动规律，构建耦合系统振动特征与散体流动之间的映射关系。(4) 建立了含裂纹的振动台模型，分析了微故障对连续体稳定性的影响。项目的研究成果在一定程度上将为该类耦合系统的结构优化设计、振动控制和微损伤早期检测与评估提供技术支撑。