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材料拌和离散元模拟系统的开发与应用

作　者: 小原孝之
导　师: 安雪晖
学　校: 清华大学
专　业: 水利工程
关键词: 材料拌和材料拌和模拟离散元法参数确定方法新型拌和装置
分类号: TU528
类　型: 博士论文
年　份: 2007年
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内容摘要

随着计算机技术的发展,在工学研究中数值模拟技术的应用越来越广泛。在材料拌和研究中数值模拟技术已有一定的应用,但对拌和粘塑性体和弹性体组成的复合材料研究很少。混凝土是多种材料组成的复合材料,是一种应用极为广泛的土木建筑材料。但目前还没有对拌和混凝土可用的数值模拟方法。离散元法是适用于描述非连续体运动状态的数值模拟方法,本文把离散元法应用到材料拌和模拟,开发了材料拌和离散元模拟系统,可用于混凝土数值模拟。首先用塑料球拌和实验验证所开发的材料拌和离散元模拟系统对弹性体拌和模拟的可行性。结果表明,本系统能够合理地模拟弹性体的拌和。对复合材料即混凝土离散元模拟时,将砂浆作为粘塑性体、粗骨料作为弹性体,并考虑砂浆和粗骨料之间的关系;同时给出了普通混凝土和自密实混凝土的数值模拟中各种材料的参数确定方法。为了验证模拟系统的可行性,进行了不同配合比的混凝土流动性实验和粗骨料体积比率不同的混凝土拌和实验,实验结果与数值模拟结果表明,本系统能够合理地模拟混凝土的流动性和拌和过程。在研究材料拌和或者开发拌和装置时,需要评价拌和物的拌和状态。在粉粒体工学中,已有的方法是用样本里的目标材料浓度偏差来表示拌和状态,但目前没有表示复合材料如混凝土拌和状态的指标。本文把混凝土分成砂浆和粗骨料两个要素,以样本里的粗骨料体积比率偏差作为拌和物拌和状态的指标──拌和指数。通过验证实验证明了拌和指数的可行性。把材料拌和离散元模拟系统和拌和指数在现有静态拌和装置的问题分析和新型静态拌和装置的开发中进行了应用。通过现有拌和装置的问题分析,阐明了现有拌和装置的拌和原理及其问题,并开发了新型拌和装置。通过新型拌和装置的拌和性能验证实验,对新型拌和装置拌和能力进行了研究。比较实验结果和计算结果,证明系统能够合理地模拟试验结果。

全文目录

摘要  3-4
Abstract  4-10
主要符号对照表  10-12
第1章绪言  12-39
  1.1 研究背景  12-13
  1.2 材料拌和与拌和状态评价的研究概况  13-20
    1.2.1 拌和物与拌和的分类  13-18
    1.2.2 拌和物拌和状态评价的研究概况  18-20
  1.3 离散元数值模拟与材料拌和数值模拟研究概况  20-26
    1.3.1 材料数值模拟研究的重要性  20
    1.3.2 材料拌和数值模拟离散元法的有效性  20-21
    1.3.3 离散元数值模拟的研究现状  21-22
    1.3.4 弹性体材料拌和数值模拟研究状况  22-23
    1.3.5 复合材料拌和数值模拟研究状况  23
    1.3.6 新拌混凝土的数值模拟研究状况  23-26
  1.4 拌和装置的分类与静态拌和装置的研究概况  26-33
    1.4.1 拌和装置的分类  26-28
    1.4.2 静态材料拌和装置的研究现状  28-32
    1.4.3 现有静态拌和装置的问题与新型静态拌和装置开发意义  32-33
  1.5 研究内容与研究范围  33-39
    1.5.1 研究内容  33-35
    1.5.2 研究范围  35-36
    1.5.3 拌和指数研究  36-38
    1.5.4 弹性体材料拌和离散元模拟系统的开发与验证  38
    1.5.5 复合材料拌和离散元模拟系统的开发与验证  38
    1.5.6 材料拌和离散元模拟系统的应用  38-39
第2章评价拌和物拌和状态指标研究  39-53
  2.1 拌和与拌和指数的概念  39-42
    2.1.1 材料的分类  39-40
    2.1.2 拌和的分类  40
    2.1.3 完全拌和状态的假设  40-41
    2.1.4 拌和指数的概念  41-42
  2.2 粉粒体拌和指数  42-43
  2.3 复合材料拌和指数  43-51
    2.3.1 复合材料的拌和指数测定方法与计算方法  44-45
    2.3.2 复合材料的拌和指数测定实验与结果  45-48
    2.3.3 拌和时间的对混凝土性能的影响  48-49
    2.3.4 拌和时间与拌和指数的关系  49
    2.3.5 界限拌和指数和样本大小的关系  49-51
    2.3.6 搅拌机的拌和能力与拌和指数  51
  2.4 小结  51-53
第3章弹性体拌和离散元模拟系统的开发与验证  53-62
  3.1 离散元法的概念  54-55
  3.2 反力参数和确定方法  55-58
    3.2.1 球单元之间  55-57
    3.2.2 球单元和面单元之间  57-58
  3.3 弹性体拌和离散元模拟验证  58-61
    3.3.1 塑料球落下实验方案  58-59
    3.3.2 塑料球落下实验结果与离散元法计算结果  59-61
  3.4 小结  61-62
第4章复合材料拌和离散元模拟系统的开发与验证  62-111
  4.1 砂浆模型及其参数确定方法  63-82
    4.1.1 模型形状  63-64
    4.1.2 接触面积与密度  64-65
    4.1.3 反力参数  65-69
    4.1.4 振动特性  69-70
    4.1.5 强度特性  70-71
    4.1.6 参数的确定方法  71-73
    4.1.7 普通混凝土砂浆参数τ_y 和h 的确定方法  73-78
    4.1.8 自密实混凝土砂浆参数τ_y 和h 的确定方法  78-82
  4.2 混凝土中的粗骨料模型  82-88
    4.2.1 粗骨料模型  82
    4.2.2 粗骨料和砂浆之间的关系  82-83
    4.2.3 考虑接触砂浆后的粗骨料模型  83-85
    4.2.4 粗骨料刚度的影响  85-88
  4.3 球单元和面单元之间的关系  88-93
    4.3.1 基本公式  88-90
    4.3.2 验证实验与分析结果  90-93
  4.4 混凝土离散元模拟  93
  4.5 混凝土流动性离散元模拟验证  93-101
    4.5.1 混凝土流动性实验方案  93-94
    4.5.2 砂浆与粗骨料模拟参数的选取  94-96
    4.5.3 混凝土流动性试验结果和计算结果对比  96-101
  4.6 混凝土拌和离散元模拟验证  101-109
    4.6.1 混凝土拌和实验方案  101-102
    4.6.2 砂浆和粗骨料的离散元模拟参数选取  102-103
    4.6.3 实验结果与计算结果比较 V_(ag)/V_c = 44%  103-106
    4.6.4 实验结果与计算结果比较 V_(ag)/V_c = 20%  106-109
  4.7 小结  109-111
第5章材料拌和离散元模拟系统的应用  111-135
  5.1 现有静态拌和装置的问题与分析  111-114
  5.2 新型静态拌和装置的结构与拌和原理  114-115
  5.3 新型静态拌和装置的拌和能力分析  115-117
  5.4 新型静态拌和装置的弹性体拌和实验与分析  117-119
  5.5 新型静态拌和装置的混凝土拌和实验与分析  119-133
    5.5.1 新型静态拌和装置的混凝土拌和实验方案  120-122
    5.5.2 新型静态拌和装置  122-124
    5.5.3 实验结果  124-127
    5.5.4 离散元模拟分析－配合比2 新型拌和装置60 度6节  127-129
    5.5.5 离散元模拟分析－改进方案  129-133
  5.6 小结  133-135
第6章结论与展望  135-139
  6.1 主要结论与研究成果  135-137
  6.2 存在的问题与开展进一步工作的建议  137-139
参考文献  139-142

材料拌和离散元模拟系统的开发与应用

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