仓内粮食剪胀特性试验研究及其对仓壁侧向动力作用机理离散元分析

本项目研究以散装粮食颗粒为研究对象，实现以小麦为主粮食颗粒剪胀的试验方法，利用PFC3D离散元模拟与实际试验条件相似的数值模拟，建立小麦的宏观参数与细观参数的定量关系。然后建立考虑剪胀性的筒仓卸料状态数值模型，推导考虑剪胀效应筒仓卸料条件下仓壁侧向动压力的简化计算方法。利用离散元分析颗粒的优势，提出小麦颗粒发生卸料出现大变形情况下颗粒的流动模式，仓壁侧向动压力的大小规律和简化计算方法。以上研究将提供一个分析筒仓设计时卸料条件下仓壁压力的分析方法，避免通常有限元分析对颗粒位移的限制以及出现大变形造成不能方便计算的缺点，为进行准确设计筒仓确定侧向动压力提供有效方法。解释卸料过程发生局部破坏的机理，利用颗粒力学中力链方法分析侧向动力分布，从细观上进行筒仓发生破坏的机理分析。并为其他领域如煤炭、冶金、化工、轻工等行业筒仓设计提供参考。

本项目进行了考虑粮食卸料过程中发生粮食剪切引起剪胀效应的研究，提出了粮食剪胀性的三轴试验分析方法、直剪试验分析方法。建立了粮食三轴试验细观模型，并对粮食细观参数进行标定，同时将反算宏观参数的与实验值进行对比。发展了筒仓卸料PFC3D三维离散元分析方法，系统研究了装料静压力、卸料流型、卸料动压力的变化规律，深入探讨卸料动态侧压力增加的机理，并根据该机理提出侧压力计算公式。本项目取得了以下研究成果：（1）研究粮食工程特性。针对目前规范确定比重的方法，探讨了不同测试方法对小麦比重的影响，获得了可靠的小麦比重和小麦颗粒的密度。并研究了不同含水量对容重的影响，为后续三轴试验中确定麦堆的孔隙率提供试验基础。（2）进行小麦剪胀性试验研究。通过对比直剪试验、三轴试验结果，探讨密实小麦堆剪切过程剪胀效应。利用自制的直剪仪、改进的三轴仪测试粮食摩擦强度特征。获得不同孔隙率、不同围压影响下的应力-应变关系，体积改变-应变关系，计算剪胀角。孔隙率越低，小麦堆剪胀效应越明显；围压越低，剪胀效应越明显。这为后续分析卸料下侧压力增大机理提供基础。（3）标定小麦宏细观参数。建立粮食三轴试验离散元模型，通过对比室内试验与数值试验的应力应变关系，进行小麦细观参数的标定，反复试算，获得合适的小麦细观参数。根据数值试验，可获得相应的体积改变-应变关系曲线，结合应力-应变曲线，反算小麦宏观参数，获得剪胀角。（4）建立筒仓卸料三维离散元分析模型，研究筒仓卸料机理。通过PFC3D离散元模型的建立，在确保装料静侧压力与Janssen理论公式相吻合的条件下，建立卸料模型，研究颗粒摩擦、颗粒刚度等影响因素下筒仓卸料流型规律，卸料侧压力分布规律，根据卸料机理，提出侧压力计算公式。基于本项目共发表论文10篇，其中EI收录3篇，参加国内外学术会议并做报告2次，并与国内外专家进行了充分的交流。直接培养硕士生2名，培养青年骨干教师1名。进行科技成果鉴定2项，获得厅级科技成果奖一等奖1项，二等奖2项。