基于PFC3D的筒仓贮料侧压力离散元分析

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筒仓是一种常见的散体物料贮存结构,因其贮存效率高,且容易实现机械化自动化作业,而广泛应用于粮食、煤炭、化工、水泥等行业当中。近些年来,在世界各地都出现了筒仓的倒塌事故,这使得筒仓的使用安全问题被人们所重视。筒仓仓壁所受到的侧压力值是影响筒仓稳定性的重要因素,传统的侧压力计算使用的是Janssen公式,由于该公式只考虑了静态条件下筒仓的侧压力,据此得到的侧压力值与实际筒仓在卸料过程中的侧压力值有很大的差距,两者最大相差可以达到三倍以上。针对这一问题,本文运用离散元分析软件PFC3D,分别对静态工况即贮存状态以及动态工况即卸料状态下的筒仓仓壁侧压力进行模拟分析,并完成了以下工作,为设计提供参考。1.通过PFC3D软件建立筒仓模型,分步循环生成颗粒并施加重力使之自由下落,模拟了筒仓装载过程。得到完成装载过程的筒仓侧压力数值,并与试验数值以及筒仓设计规范计算结果进行对比。2.在静态模型的基础上,通过解除对于筒仓模型出料口的约束,模拟筒仓的卸料过程。在筒仓的卸料过程中记录仓壁侧压力变化数值,得到不同高度处仓壁受到的最大侧压力值,并与规范计算结果、试验结果以及静态模拟结果进行对比,分析出现差距的原因。3.通过分析卸料过程中的速度矢量图,判断出物料在卸料的不同时期出现的不同的流动型式。并根据流动型式和侧压力的数值,分析两者之间的关系,找到最大侧压力出现的原因。4.改变筒仓的出料口直径、漏斗倾角等几何参数以及物料的内、外摩擦系数等物理参数,对比参数改变后卸料模拟中出现的侧压力值,以得到这些参数与侧压力之间的关系。研究结果表明,在筒仓装载过程中,下落的散体颗粒在通过漏斗部位与直筒的连接处时,会发生相互挤压,致使该区域的静态侧压力值大于通过筒仓设计规范中采用的Janssen公式所计算的设计值。通过观测贮料颗粒速度矢量图,可以发现筒仓侧压力与物料流动型式有密切的关系。在卸料过程中,仓内物料颗粒的流动方式由整体流动转变为管状流动和漏斗式流动,这样的流动方式加剧了仓内颗粒的相互碰撞挤压,导致了结拱现象的出现,最终造成仓壁超压现象的出现。卸料时最大侧压力与规范计算的压力值有较大的偏差。当改变筒仓的几何参数和物理参数时,物料颗粒的流动方式也会随之改变,进而导致侧压力的改变。
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