基于粮食散体材料与仓壁相互作用的偏心卸料钢筒仓稳定性研究

There is a very complex interaction between silo and grain under eccentric discharge conditions, and even lead to instability of silo, so it’s very important to study the problem. In this project, the mechanical properties of grain is first studied, then grain-wall interaction numerical model is build, reveal the rules of grain-wall interaction and distribution of wall load, propose a simplified model to study stability of silo considering eccentricity ratio and aspect ratio. The concrete contents include: 1) based on strain path triaxial tests of grain, revise the double yield surface model, and combined with ALE method, establish the silo-grain interaction model; 2) reveal the rules of grain-wall interaction under influence of eccentricity ratio and aspect ratio through the numerical model, propose wall load distribution model; 3) based on load distribution model, study the influence of eccentricity ratio, radius-thickness ratio and aspect ratio on buckling strength, propose a simplified model to study silo stability considering eccentricity ratio and aspect ratio. Through theoretical and technological innovation, to improve the level of research and application of storage facilities, and ensure national grain storage safety.

偏心卸料筒仓与粮食散体材料间产生复杂的相互作用，甚至导致筒仓整体失稳，研究该问题具有重要的理论和应用价值。本项目从研究粮食散体材料力学特性入手，建立筒仓与粮食散体材料相互作用数值模型，揭示钢筒仓与粮食散体材料间的相互作用规律和偏心卸料仓壁荷载分布规律，提出考虑偏心率、高径比等影响的筒仓稳定性简化计算法。具体内容包括：1)根据粮食应力路径三轴试验，修正双屈服面本构理论，并与任意拉格朗日-欧拉法相结合，建立偏心卸料钢筒仓与粮食散体材料相互作用数值模型；2)通过数值模型研究偏心率、高径比等影响下的钢筒仓与粮食散体材料间相互作用规律，提出仓壁径向压力和竖向摩擦力分布规律；3)根据筒仓荷载分布规律，研究偏心率、径厚比和高径比等对筒仓稳定承载力的影响，提出考虑偏心率、高径比等影响的临界轴向应力、径厚比等稳定性简化计算法。旨在通过理论和技术创新，提高仓储设施研究和应用水平，保障国家粮食储藏的安全。

本研究通过直剪试验、应力路径三轴试验得出粮堆在不同试验条件下模量、强度和剪胀等规律。采用ABAQUS有限软元件结合ALE自适应网格技术，研究筒仓偏心卸料压力规律。建立筒仓屈曲数值计算模型，研究薄壁钢筒仓的屈曲特性。得到以下结论：（1）小麦粮堆剪切变形分弹性、塑性变形和籽粒压缩3个阶段。小麦粮堆抗剪强度符合莫尔库伦强度准则。小麦粮堆在弹性阶段的最大剪缩体变较小，总体小于0.4%。在塑性变形阶段的最大剪胀体变通常远大于最大剪缩体变，竖向压力越大最大剪胀体变越小，剪切速率越大随着压力的增大最大剪胀体变的变化越小。（2）相同侧向应力下，CTC试验的初始模量最大，RTC试验的初始模量最小。各应力路径下初始模量、割线模量均随着侧向应力呈幂函数增长。CTC试验和CMS试验的割线模量比初始模量发生较大的降低，而RTC试验割线模量比初始模量没有明显降低。粮堆应力路径三轴试验破坏点均落于同一临界状态线上。小麦粮堆应力路径三轴试验的峰值强度和残余强度均符合莫尔-库伦破坏准则。得出了适用于模拟粮仓内小麦粮堆应力应变关系的新模型。（3）高径比对筒仓静态侧压力影响不大，筒仓侧压力随高径比增大基本呈线性增长；高径比对筒仓动态卸料时侧压力有一定影响，由于储料流动对仓壁侧压力产生影响使得小高径比筒仓在距仓顶相同位置处的侧压力偏大，在相同卸料口直径情况下高径比对小直径筒仓影响较大。（4）不同直径、高径比的筒仓，均在仓底发生明显的环向变形量，即产生明显的象足失稳的现象。在卸料口侧环向、竖向变形量和剪应力均达到最大。筒仓卸料口应力位移曲线首先呈近似线性上升阶段，应力达到峰值，后出现下降，筒仓发生屈曲。屈曲临界应力通常远小于经典弹性临界应力，高径比增大，屈曲临界应力呈增大趋势。通过理论和技术创新，提高仓储设施研究和应用水平，保障国家粮食储藏的安全。