地震作用下散粮楼房仓仓壁动态侧压力分析

地震作用下贮料对仓壁产生的动态侧压力是影响散粮楼房仓结构安全的一个重要因素。为此,该研究设计制作了缩尺比例为1:25的三层楼房仓试验模型,进行了3条地震波下不同加载等级的振动台试验,分析获得了贮料地震反应特性、仓壁动态侧压力变化规律及超压系数,提出了仓壁动态侧压力计算方法。研究表明：不同楼层同一高度处仓壁动态侧压力达到峰值的时间不同步,沿楼房仓高度方向逐步滞后,且其均滞后于对应楼层仓壁加速度峰值时刻;各楼层仓壁动态侧压力逐层增大,每升高一层,增大约29%,且同一楼层的仓壁动态侧压力沿高度逐渐增大,仓壁上部、中部动态侧压力分别是下部的2.5倍、1.4倍;一至三层的超压系数最大值依次为2.9、3.4、4.1,且均位于每层仓壁上部位置;通过试验结果验证了所提出的仓壁动态侧压力计算方法的有效性;散粮楼房仓结构抗震设计,应考虑仓壁动态侧压力的影响与不同楼层的差异性。研究成果可为散粮楼房仓的抗震设计提供参考。     

筒仓静态储粮的边界压力及仓壁摩擦力试验研究

为了研究筒仓散装粮堆的边界压力和仓壁摩擦力的分布规律,研制了模型筒仓试验装置,基于仓体的微缝分离设计,实现各分离仓体受力的独立测量。以小麦为例,通过实测,发现不同装粮高度下,粮堆底部压力沿径向呈现不均匀分布特征,其不均匀分布程度随装粮高度逐渐增加;当装粮高度大于筒仓直径后,仓壁侧压力开始逐渐小于Janssen公式计算结果;而仓壁摩擦力在整个粮堆深度范围内均小于Janssen公式计算结果。试验表明,仓壁实测摩擦力与侧压力之比小于小麦与仓壁的摩擦系数,且随粮堆深度的增加不断变化,表明静态储粮下储料与仓壁边界之间尚未达到极限平衡状态;侧压力系数接近主动态,且小于主动土压力系数。研究结果可为散体物料压力理论提供参考。     

筒仓动态卸料过程侧压力模拟与验证

为了研究立筒仓卸料过程中的侧压力及数值模拟技术,设计了有机玻璃筒仓模型进行试验研究,运用ABAQUS有限元软件中的自适应网格划分技术模拟了筒仓的动态卸料过程。结果表明,筒仓动态侧压力试验值大于静态侧压力,但各测点超压系数不同,在邻近漏斗附近超压系数最大为1.78,其次为仓壁中上部2个测点超压系数达到了1.73和1.61,其他位置超压系数在1.45以内;侧压力模拟值与计算值吻合度较好,静态侧压力两者相对误差绝对值在0.43%~9.92%之间,动态侧压力两者相对误差绝对值在1.14%~9.65%之间,验证了数值模拟技术的可行性;静态和动态侧压力的数值模拟曲线、公式计算曲线、试验曲线或试验拟合曲线都表明,随着测点距筒仓底部高度的增加,侧压力呈下降趋势,即侧压力下大上小,而且静态侧压力模拟曲线与试验曲线变化规律一致,相对误差绝对值在1.83%~9.97%之间;由于试验时压力传感器精度、标定试验误差和试验次数等随机因素的影响,动态侧压力试验曲线不很规则,数值模拟曲线相对平滑,但动态侧压力试验值的拟合曲线与数值模拟曲线变化趋势基本相同,相对误差绝对值在0.28%~9.93%之间。通过观察漏斗附近Mises应力分布图发现,物料卸出前,应力较大点发生在紧邻漏斗附近的仓壁处,卸料开始后,应力较大点即转向漏斗壁中部某范围,而且随着卸料时间的延长,此应力较大点的范围有所增大。     

改进颗粒组构力学模型模拟筒仓卸粮成拱细观机理

现有研究表明筒仓卸粮成拱和粮食的内外摩擦密切相关,但现行相关离散元模拟采用单一圆形颗粒,模拟粮食的真实接触面积要小很多,不能客观反映卸粮过程粮食的摩擦情况,也较难还原卸粮成拱现象的细观动态过程。该文针对离散元模拟中圆形颗粒的内摩擦力小于真实粮食内摩擦力的缺陷,在已有PFC离散元程序基础上,添加了黏度系数较大的微型颗粒模拟粉尘,建立了一种改进颗粒组构力学模型,采用几何方法判断圆形颗粒间的接触情况,推导出基本单元间力-位移关系。基于典型事故案例和室内试验成果,采用建立的颗粒组构力学模型模拟了卸粮成拱动态过程中圆形大颗粒间以及圆形小颗粒与仓壁之间的力-位移关系。研究表明在卸粮过程中,切应力在剪切位移达到0.3 mm的过程中,迅速提高,达到最大值切应力的60%,所得的切应力位移图与其应力特征曲线与试验成果基本吻合。以试验结果曲线各点值为标准值,改进后模拟结果曲线值的标准差相比改进前减小37%,说明曲线相似度更高,利用该模型可更加客观反映筒仓卸粮成拱的动态细观机理。该文提出的改进颗粒组构力学模型,不仅可用于模拟卸粮成拱机理模拟,而且对于模拟散颗粒流动特性、散体-仓壁相互作用机理都具有一定借鉴意义。     

地上输料通道对浅圆仓仓壁和通道受力的影响

为揭示地上输料通道对浅圆仓仓壁和通道受力的影响,开展了不同高径比、不同偏心率的缩尺筒仓模型装卸料试验,并将测试结果与筒仓标准GB 50077-2017有关规定进行对比分析。装料试验结果表明,通道的存在影响了仓壁底部的侧压力分布,仓壁侧压力在通道高度范围内明显小于筒仓标准预测值。整个卸料过程可以归纳为一个倒锥不断下切的过程,倒锥的顶点位于卸料口的正上方。卸料试验中没有观测到超压系数随着卸料偏心率增大而增大的现象。高径比在0.69以下时,仓壁和通道上超压系数普遍较小;高径比接近1.0时,仓壁和通道上超压系数迅速上升。当通道依据标准GB 50077-2017判定为深埋时,通道压力预测值明显小于测试值,偏于不安全。主次通道顶壁及侧壁的静载压力依据本文提出的浅埋公式计算更加合理,其中贮料高度应取为通道计算点的实际贮料高度。建议浅圆仓设计时适当考虑通道的顶壁和侧壁超压系数,可取1.2～1.3。     

细沟侵蚀动态过程模拟室内试验和模型验证研究

进行了一系列室内试验，以验证模拟细沟演变动态过程的数学模型。该模型模拟了细沟水流的动态过程、水力学特性参数的空间变化、细沟中土壤的剥离、运输及沉积过程；模拟了细沟在侵蚀过程中的形态演变，其中包括沟宽、沟深、局部坡度在空间上的差异及其随时间的变化；模拟了细沟侵蚀/泥沙沉积后局部细沟形态的变化对细沟水流反馈效应。试验土壤为砂壤土，采用的坡度为：3%，5%，7%；3个流量：7.6，11.4，15.2 L/min。在同一试验条件不同工况下对模型进行了验证，同时对细沟中沿程水流速度和细沟末端的侵蚀产沙量进行了模拟值和试验实测值的对比。结果表明，模型预测值和实测细沟形态演变值具有很好的一致性，模型中提出的侵蚀、沟床形态变化和水力学特性参数间的互反馈环效应可以反映细沟侵蚀的动态演变过程和发展趋势。     

基于应力路径试验的小麦粮堆力学特性和应力应变关系模型

粮仓中粮堆在装卸时存在着复杂的应力路径,为了得出复杂应力路径对粮堆模量和临界状态特性的影响规律,以及粮堆应力应变关系模型,该文在侧向应力50~300 k Pa下,进行了常规三轴压缩(conventional triaxial compression,CTC)、等p压缩(constant mean normal stress compression,CMS)、三轴主动压缩(reduced triaxial compression,RTC)三轴应力路径试验,分析了应力路径和侧向压力对模量的影响和粮堆临界状态特性;修正岩土体三次曲线模型,建立了适于描述仓内小麦粮堆应力应变的模型,并通过应力路径试验结果和文献试验结果对模型的适用性进行验证。研究结果表明:各应力路径下初始模量、割线模量E50均随着侧向应力呈幂函数增长;CTC、CMS试验的割线模量E50比初始模量发生较大的降低,而RTC试验没有明显降低。在参考压力(大气压力)下,对于初始模量,CTC试验的结果最大,RTC试验的结果最小;对于割线模量E50,CTC试验的结果最小,RTC试验的结果最大。CTC试验的初始模量、割线模量均随着侧向应力增长最慢,而RTC试验的结果均随着侧向应力增长最快。不同应力路径和侧向应力下,试验的破坏点均落于同一临界状态线上,小麦粮堆临界状态应力比为0.976。修正三次曲线模型反映了粮堆强度、峰度系数和峰值应变等特性,并通过8个参数进行计算;通过应力路径试验结果和文献试验结果对该模型进行了验证。研究结果可为粮仓装卸料压力、变形的计算提供更符合实际应力路径条件的参量,建立的修正三次曲线模型可用于粮堆应力和变形的数值模拟,为粮仓的设计提供参考。     

涝渍胁迫条件下Morgan模型的试验研究

涝渍胁迫条件下的作物水分生产函数对于正确评估减灾效益,合理制定涝渍灾害治理对策具有重要现实意义。作物水分生产函数按照模型形式可分为动态模型与静态模型,其中动态模型能模拟作物生长过程,具备一定的作物生理学基础,但鲜有见到关于涝渍胁迫条件下动态模型的研究。该文以水分亏缺条件下的作物水分生产函数动态模型(Morgan模型)为基础,通过利用涝渍指标进行转换,建立了适用于涝渍胁迫条件下的动态产量模型。该模型选用的指标包括常用的空间划分型涝渍分离指标(累积超标准地下水深SEW30、地面累积淹水深度SFW)与涝渍综合指标SFEW30,并为了克服前者在计算过程中涝害指标权重偏小的问题,引入时间划分型涝渍分离指标(累积超标准地下水深SEW30、受涝期间涝渍综合指标SWFDH)。根据连续多年的棉花涝渍胁迫试验数据对模型进行参数率定与验证,结果表明该模型预测效果良好,并推荐优先使用涝渍综合指标SFEW30。同静态模型相比,该模型参数在年际之间也表现出更好的稳定性。     

基于离散元模拟筒仓贮料卸料成拱过程及筒仓壁压力分布

筒仓卸料时贮料作用在仓壁上的卸料压力出现骤然增大以及震荡分布的现象,该文从贮料的散体颗粒性入手,采用离散元法和模型试验法研究贮料在静止储粮状态和卸料过程中的力学行为,从细观颗粒层次探求卸料时贮料内部土拱效应与宏观仓壁卸料压力增大及产生震荡的本质联系。模型为平底立筒仓,高1.0 m,宽0.5 m,卸料口直径0.1 m,数值模型填充20 400个球形单元,模型试验贮料为大豆。首先,通过分析卸料中仓底压力分布的周期性变化规律,证实了卸料口附近拱效应的存在。然后选取结拱起始、结拱完成及拱塌落3个时间点仓内贮料的力链网络、竖向应力、横向应力、主应力方向和速度场分布,分析了卸料时的拱效应及其对仓壁卸料压力分布的影响。研究发现,卸料中,筒仓底部的卸料口附近有拱形成,其跨度为卸料口直径的4.0倍,高度为卸料口直径的2.5倍。随着物料的流出,卸料口附近的颗粒物质遵循"拱形成-拱塌落"的动态规律,并据此提出了筒仓卸料的动态成拱机制。深高比0.35处,动态压力修正系数最大为2.70。在深高比0.85处,结拱完成时的仓壁压力达到峰值3.57 kPa。分析结果表明,拱的形成是仓壁压力增大的根本原因,动态成拱机制则是宏观仓壁压力产生震荡的根本原因,仓壁压力峰值作用点和最大动态压力修正系数作用点并不一致。动态成拱机制以及由此引发的仓壁卸料压力分布规律,可为构建机理研究的筒仓结构安全设计提供参考。     

贮料重度对卸料流态及仓壁压力分布的影响

为了研究贮料重度对仓壁卸料压力和流态的影响,进行了室内试验和数值模拟分析。室内试验采用自主设计的半圆柱形平底圆筒仓,仓壁嵌入定制的压力传感器量测仓壁压力,通过摄像机记录流态演化过程。贮料选用重度不同平均粒径为5.5 mm的陶球颗粒（以下简称陶粒）和大豆,各进行了5组卸料试验。之后,进行了离散元数值模拟（discrete element method, DEM）。最后,综合试验结果和数值模拟结果,结合颗粒物质力学基本原理,分析了贮料重度对流态演化及仓壁压力分布的影响。研究表明：陶粒和大豆的流态演变过程相似;静止区边界在卸料前期和中期处于稳定状态,角度为54.03°,高度为0.310 m,卸料后期,表面流动边界面开始与静止区边界面以28.5°相交,并最终滞留在仓底附近形成角度为28.5°,高度为0.120 m的“滞留区”;贮料重度越大,仓壁压力变化越剧烈;峰值压力作用点在距离仓壁底部约3/10高度处;在卸料最初（卸料时间5 s,占总卸料时长的1.43%）,陶粒和大豆的仓壁压力均发生剧烈突增：陶粒峰值增幅为263%,大豆峰值增幅为257%,该试验现象为实践中筒仓破坏多出现在卸料初期提供了试验支持。基于细观层面的力链网络演化,证实了重度大的陶粒通过力链网络传递到仓壁的压力更大,仓壁压力波动性与力链的断裂、重构和结拱起始、结拱完成和拱塌落有直接的对应关系。研究建立了从细观力链网络传递、力链断裂、重构与宏观仓壁压力分布的直接联系,研究结果可为筒仓结构设计提供理论支撑与试验依据。     

侧正压玉米排种器的设计与试验

为了实现玉米精量播种,该文设计了一套侧正压排种器,分析了排种器的工作原理,并对排种过程动力学进行了研究;对影响排种器性能的基本因素进行了均匀设计试验,并且分别对排种性能3个指标建立了回归数学模型。试验结果表明,排种盘转速对播种合格指数和漏播指数影响最显著,充种型孔尺寸对重播指数影响最显著,风机压力对排种指标有影响但影响不显著,风机压力达到1.2 kPa,排种盘转速18 r/min,充种型孔宽度11 mm时,既能够满足播种要求。通过种子分级试验,分级后排种性能指标显著改善,合格指数达到了89.36%,漏播指数降至4.26%。本文所设计的侧正压排种器为气力式精量播种机提供了一种新的参考。     

基于卸料流态模拟与观测的储粮仓壁动态压力增大机理研究

粮食筒仓在卸料过程中产生的动态侧压力是筒仓破坏的重要原因。该文基于室内粮食筒仓卸料模型试验,利用高速摄像仪拍摄筒仓中心卸料的全过程,运用图像处理技术分析贮料的流动形式,并测量卸料过程中产生的动态侧压力。在此试验的基础上,利用颗粒流程序PFC3D(particle flow code in 3 dimensions)进行数值模拟,追踪特定颗粒的运动情况。通过比较试验与数值模拟结果,从流态方面探索深仓中心卸料时超压现象产生的机理。研究表明:筒仓在卸料过程中动态侧压力在测点深度4 m的位置达到峰值15.92 kPa。卸料时存在着整体流动和管状流动2种流动形式,2种流动形式的混合区域主要分布在高径比约为1的高度位置,即中上部贮料进行整体流动,底部贮料进行管状流动,且底部贮料流动速度大于中上部贮料的流动速度。在2种流动形式混合区域容易产生承压拱,承压拱的存在阻碍了中上部贮料的正常流动,导致在该区域内产生明显的超压现象,最大超压系数达到2.5。通过研究筒仓在卸料过程中动态压力的增大机理,可为筒仓的安全设计提供参考。     

青贮饲料对青贮池墙体侧压力的试验研究

研究青贮饲料对青贮池墙体的侧压力对青贮池结构设计至关重要。为定量分析青贮饲料装填以及车辆碾压饲料时墙体的受力状态,以北京三元绿荷奶牛养殖中心半截河奶牛场青贮池为研究对象,在青贮池墙体上布置压力计,研究了侧压力大小及其变化规律。结果表明：装填青贮饲料时,自墙顶向下在深度为0.65～1.37 m时,侧压力平均值随深度增大而增大;在深度为1.37～2.05 m时,侧压力平均值随深度增加的幅度较小。推土机碾压饲料会增加墙体侧压力,并且侧压力值随推土机和墙体之间距离的变小而增大。侧压力增加值与压力计埋深无明显相关关系。     

气吹式精密排种器工作压力试验研究

通过台架和田间试验,得到了气吹式精密排种器播种玉米适宜的吹气压力范围,并通过单因素方差分析试验考察了吹气压力对播种合格指数、重播指数和漏播指数的影响情况.试验台上采用2种不同材料的排种器进行试验,吹气压力在0.7～8 kPa范围内变化.田间试验为同一工况下多次重复.台架试验发现,吹气压力高于2.5 kPa时播种质量较好,且一直呈上升趋势;8kPa时,合格指数达到97.28％; 2.5～4.5 kPa范围内合格指数在90％左右,漏播指数低于1.2％;田间试验合格率达到93.18％.气吹式排种器适宜吹气压力范围广,漏播率低,田间播种性能稳定可靠.     

小麦籽粒碰撞模型中恢复系数的测定

为了建立小麦颗粒在清选振动筛和播种器中的碰撞模型,该文基于运动学方程原理构建了小麦恢复系数测试装置,对小麦的弹性特性进行了测定。试验采用河南省商丘市宁陵县黄岗乡小麦自留种,采用单因素试验结合响应面分析法,研究了碰撞材料、材料厚度、下落高度和小麦含水率对小麦恢复系数的影响。结果表明碰撞材料对小麦恢复系数影响较大,小麦的恢复系数随着碰撞材料刚度的增大而增大;小麦恢复系数随着下落高度和含水率的增大而减小,随着材料厚度的增加而增大。针对Q235碰撞材料,各因素对小麦恢复系数影响的显著性排序为：小麦含水率>材料厚度>下落高度,且小麦含水率与材料厚度2个影响因素的交互作用较为明显。该文的研究结果可为联合收割机清选振动筛和精密播种机的数值模拟和产品设计提供依据