关键词：
振动利用工程
非线性振动系统
振动摩擦
散体动力学
离散单元法
颗粒物质力学
PFC3D
散体振动
摩擦学
散体单元
孔隙比
力链网络
摘要：
振动利用工程是一门新兴的学科,它与人类的生活和生产活动有着不可分割的联系,闻邦椿教授领导的科研团队为这一新学科的发展进行了大量工作,目前振动利用工程已成为人类生活和生产活动不可缺少的手段和必要机制。振动摩擦作为振动利用工程的一个重要分支,正处在研究与发展的过程中,或者说还正处在起步阶段。随着工程技术领域的需求不断增加,人们逐渐认识到振动摩擦所带来的好处及其应用的广泛性和普遍性。许多工程实践已经证明,在振动工况下,物体间的摩擦系数和摩擦力可以显著减小,零部件的磨损可明显减轻,同时其耗能也会随着降低,工效可以得到大大提高,进而可为企业和国家创造显著的经济效益和社会效益。
基于振动与摩擦的内在联系,闻邦椿教授提出了亟待进行深入研究和发展的新学科“振动摩擦学”,这在学术上具有重要价值。目前国内外已研制出许多采用振动原理的机械设备,工作过程常常包括诸多的工件与物体之间的摩擦,也包括物料或物件之间的相互摩擦,如振动压路机、振动沉拔桩机、振动输送机等。但有关振动摩擦机理方面的研究还很不深入,或者说还没获得充分的研究,很多问题亟待解决。如果能够对振动摩擦问题进行深入而系统的研究,在揭示其科学涵义的同时,能够在工程中更好地加以利用,将具有深远的理论价值和现实意义。
本课题以闻邦椿教授提出的振动摩擦概念为先导,将工程技术领域中的典型振动机械作为研究对象,创新性地以非线性动力学、散体动力学、摩擦学以及颗粒物质力学的最新成果为基础,采用国际领先软件和实验设备,将理论、仿真和实验紧密结合,研究振动机械系统的振动摩擦动力学特性。课题研究内容包括：研究考虑振动和物料相互之间摩擦的散体动力学特性,即振动工况下固体松散物料颗粒之间相互作用的力学特性及其运动规律；振动压实过程中的振动摩擦及其非线性动力学特性分析；振动桩-土系统中的振动摩擦及其非线性动力学特性研究。相应的研究工作得到了国家自然科学基金重点项目和中央高校博士研究生优秀论文培育基金的大力支持,具体研究内容如下：
(1)散体振动作为一种特殊的振动现象,有着极为重要的工程应用价值,但迄今为止,国内外对它的研究甚微,因为常规研究刚体和流体的方法和手段均不适用于对散体的研究。本文创新性地将散体动力学和非线性动力学理论相结合,分析研究了散体物料振动规律的离散单元法及颗粒流程序,运用散体动力学及非线性动力学的研究方法,建立了散体物料在振动工作面上的离散元模型并求解,研究了振动作用下散体的运动状态及其相互作用,给出了散体物料在振动工作面上的运动过程及其摩擦力分析。
(2)运用离散元解决软件EDEM对振动工作面上散体物料的运动进行数值仿真模拟。建立了振动作用下散体物料系统的参数化模型,采用离散单元法对振动工作面上散体物料的运动进行分析,得到了振动作用下散体物料的运动规律。研究结果表明,单颗粒散体物料和散体物料群的运动速度曲线是不相同的,这是颗粒间相互作用的结果。当物料稳定运行后,料群的速度曲线波动要比单颗粒速度曲线小很多。在本文中的参数条件下,随着振动幅值和振动频率的增大,单颗粒散体物料和散体物料群的速度均有所增大并逐渐趋于各自的稳定值。这说明振幅和振频对散体流动性的影响有一个最佳值,物料获得最大输送速度时所选取的振动频率和幅值并不一定是所在范围内的最大值,还和其他因素有关。
(3)高速摄影对散体振动的研究中,以往学者仅仅关注了散体介质的运动轨迹,并未对散体的运动特性进行深入分析。本文采用高速摄影设备及数据处理技术对振动工作面上散体物料的运动展开大量实验研究。分别以单颗粒散体和散体物料群为研究对象,通过改变振动参数,分析振动工作面上散体物料的运动速度及其变化规律和部分实验现象。实验结果与EDEM分析结果相吻合,验证了仿真结果的正确性,这说明将离散单元法用于对散体振动的研究是适合的。同时也说明高速摄影技术对散体振动的研究是成功的,它不仅为散体振动的基础研究开辟了一条新路,也为固散耦合振动摩擦机理的研究和发展提供了借鉴和参考。
(4)将散体动力学、颗粒物质力学以及非线性动力学研究方法相结合,从散体动力学及颗粒物质力学的角度出发,研究了振动压实过程中的振动摩擦机理及其非线性动力学特性,采用PFC3D三维颗粒流软件,建立了基于散体介质理论的振动压实-土体系统的试验模型,分析了振动压实过程中土体的孔隙比及土体内部接触力链网络的演变规律。通过改变振动频率和幅值,研究了振动参数对土体孔隙比及土体内部接触力链网络的影响。孔隙比直观地反映振动压实的效果,力链网络是关于压实散体材料的重要概念,其演变规律决定散体振动摩擦系统的力学性质。因此,研究振动作用下土体孔隙比及力链网络的演变规律对建立散体振动摩擦系统宏观的微观理论有重要意义,从而,能够更加深入地反映振动摩擦机理的应用。本文中分析得到的土体孔隙比及
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