冲击荷载作用下颗粒材料缓冲性能实验及离散元分析

作     者：李石林 

作者单位：华中科技大学 

学位级别：硕士

导师姓名：龙晓鸿

授予年度：2016年

学科分类：08[工学] 080104[工学-工程力学] 0801[工学-力学（可授工学、理学学位）] 

主      题：颗粒材料 缓冲性能 影响因素 离散单元法 

摘      要：考虑到我国多山区丘陵的环境,结构受到外界冲击是自然界经常发生的情况,特别是一些发电站、大坝和铁路等工程结构往往建于高山峡谷之中,很可能遇到高处落石事故,安全隐患很大。因此对于相关工程的配套建筑屋面的防冲击设计就具有很重要的意义,而土木颗粒物质不光便宜易得,且缓冲作用良好,但现阶段并没有针对土木颗粒材料缓冲性能的专门研究,更没有文章涉及土木颗粒材料在工程中具体的应用。本文试图通过实验和数值模拟结合的方式来探究土木颗粒材料的缓冲性能,及其影响因素,为工程中使用颗粒缓冲材料提供一些参考。主要内容包括:(1)描述本人为验证土木颗粒材料缓冲性能所设计的实验,并对该实验所得到的数据进行分析。该实验中主要的材料定为工程中常用的砂、石等,并按颗粒粒径和密度等变量分类实验,通过对比分析得到影响颗粒缓冲性能的因素,发现单个颗粒的粒径越小,缓冲性能越好;颗粒材料的厚度越大,缓冲性能越好,且存在临界厚度0H,当颗粒材料的厚度超过0H,继续增加颗粒厚度对缓冲效果的影响不再明显,每种颗粒材料的0H并不相同,受颗粒自身的粒径等性质影响。(2)介绍对实验进行数值模拟所使用的方法——离散单元法,以及模拟软件——PFC2D,并对实验过程进行数值模拟,逐项检验对实验数据分析所得的结论。之后采用控制变量的方法依次讨论每个可能影响颗粒缓冲性能的变量,再与实验结果对比,得出最终结论,即颗粒材料的缓冲性能随着单个颗粒粒径和硬度的减小而增强,而颗粒物质的密度对于其缓冲性能无明显影响。并基于此结论对工程应用提出了建议。