循環加卸載條件下沙粒的力學試驗及模型研究

來源: www.126151.tw 作者:lgg 發布時間:2015-09-11 18:42 論文字數:38547字
論文編號: sb2015090111325314503 論文地區:中國 論文語言:中文 論文類型:碩士畢業論文 論文價格: 150
本文是工程論文,本文通過試驗機對散粒體的循環加卸載,采用控制變量法,對變量采用控制,控制粒徑的大小,厚度,加卸載速率和加卸載方式的控制,研究沙粒在加卸載條件下有側限沙粒的

1引言


1.1研究的背景與意義
本文通過對目前國內外散粒體力學研究的發展動態與趨勢的研究,以及對國內外在臨時臨時支護設備所使用的充填材料的現狀,并結合著散粒體的特性,和相關領域其他許多知名學者對于散粒體的研究方法、研究方向和研究意義的分析。散粒體,在一些領域的應用上又可以簡單地稱其為散體,顆粒體;散粒體是由許多大小差不同形狀各異包括成分都有所區別的的微小顆粒組成的物體,由于顆粒之間的接觸面很小,散粒體內部的空隙也是很大的。沙子就是一種典型的散粒體,沙子在險道,鐵路、橋梁等工程方面應用較為廣泛,特別的在建筑工程方面的臨時支護方面應用較為廣泛。它的結構簡單,將沙子裝入活柱內,活柱底部開口,當需要提高支護行程的時候,只需要提高活柱,然后沙子就受到自重影響,從活柱內部的小孔流出,流到底座內部,進而沙子充滿底座內部,此時松開活柱,支護設備的行程就得到了提高,當使用完畢或者需要降低行程的時候,只需打開底座側面的開后,輕輕敲擊底座,沙子就從小口內部流出,導致底座內部的沙子量較少,進而使支座的行程發生變化,達到臨時支護的目的。沙箱式臨時支護設備具備操作簡單快捷,承載力度大、穩定相強等特點。散粒體屬于流體的一個分支但是有區別于流體力學,散粒體是具有流動性的固體顆粒流。卻區別與固體液體氣體這三種物質存在形態。散粒體的力學性質復雜包含:應力分布,應變的變化,能量的損失等。實驗采用沙子作為散粒體進行實驗研究,沙子不同與沙爍,沙子的粒徑較??;描述散粒體性質的參數主要是:①內摩擦系數和內摩擦角。一般動態角為靜態角的70%。散粒體的堆積角處處可見,但本實驗并沒有重點研究其堆積角,這些前人已經積累了豐富的知識財富?、苷辰Y力。本次實驗通過選擇沙粒作為實驗對象,以它為散粒體做循環加卸載實驗,得出應力應變曲線,分析數據并利用數學軟件進行擬合。
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1.2國內外研究現狀和發展
散粒體是由粒徑在同一個數量級上顆粒的集合體。顆粒的內部存在孔隙,顆粒與顆粒之間表面接觸,但是并不完全接接觸的。顆粒之間是相互獨立的,存在相互作用力,隨時都會發生變化,顆粒與顆粒之間相互摩擦擠壓,相互之間并不完全相互接觸,接觸面積很小,沙子在顯微鏡下進行觀察如圖1所示,沙子晶瑩透明狀態,棱角無規律,相互之間并不完全接觸,大小也是不一致的。散粒體是一種比較復雜的集合體。物理性質不同于連續物質,在某種程度上,存在很大的差異性。與固體相比較,它具備流體的性質,與液體相比較,散粒體能承受很大壓力。也是因為其這些特性,散粒體的應用范圍也寬闊。具備固體的能承受一定范圍的壓力和拉力,和具備液體的流體,被壓迫的時候,相互之間的孔隙及內部的孔隙被壓迫,顆粒之間可以相互運動,擠壓,進而能承受很大的壓力并且可以體積變化,相對于剛體它能實現“讓”,當應力達到一定程度時候可以自動的減少位移,實現“讓” !顆粒間的摩擦會增大,顆粒間的接觸面積有所增加,使得顆粒的流動受到了約束和限制。
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2沙粒等量循環加卸載實驗


2.1實驗
本次實驗采用的是沙子。散粒體在生活中處處可見,小到生活中的灰塵顆粒,可以食用的面粉,稍微大點的泥土,及建筑材料水泥沙子石子及大的沙爍,沙石,再大點就是石塊!這些都是散粒體,區別就是材料的成分和顆粒的大小。選擇沙子進行試驗的原因有以下幾個方面:首先,粒徑的分布均勻!可以蹄選出各種粒徑范圍的沙子,本次實驗的目的就是研究散粒體的循環加卸載,重點測試的變量之一就是散粒體的粒徑,方便進行篩選,沙子的大小適中,方便進行試驗和數據分析;其次,成分穩定!有很多種類,有河沙,海沙,金屬沙,天然沙巖粉化后的沙,等等!說偏離一點,還有海沙。根據細度模數大小范圍,把沙劃分為粗沙、中沙、細沙、特細沙。配置混凝土時,應優先選用中沙。當采用粗沙時,應提高沙率,并保持足夠的水泥用量;當采用細沙時,宜適當降低沙率。砲筑沙裝用沙應符合混凝土用沙的技術性質要求。由于沙衆層較薄,對沙子最大粒徑應有所限制。再次,沙子具有一點的堅固性!它是生活中常見的材料,可以用于混凝土及一些建筑上,可用于建筑主要是因為其穩定和堅固!沙子的堅固性質進行試驗才有意義。這樣試驗的應力可以更好和精確度控制。進行預實驗時候,再進行預實驗的數據分析所要施加的應力及應變都是可控的,所以選擇有一定堅固性的沙子而非堅固程度較小的面粉泥土等;最后,實際工程意義!沙子的研究工程意義很大的,進行散粒體的循環加卸載的實驗研究,一方面進行完善散粒體的力學性質,另一方面在工程的應用方面應用也有廣泛,在基坑,路政的沙土墊層、沙箱式臨時支護、建筑方面及礦業工程方面的水砂石充填等應用!
………


2.2實驗器材、儀器、材料及其相關參數
實驗材料:研究對象-天然河沙,雖然地球上海沙含量多,但是由于海沙具有腐蝕性,會腐蝕建筑物和金屬等,所以本次實驗采用的是具有工程意義的河沙作為實驗材料;河沙的參數是以目為單位,也就是粒徑大小的一種描述方式(在以下文章中蹄網中有詳細的介紹)。蹄網及沙子的蹄選:沙子是散粒體。每粒沙子的尺寸形狀包括化學成分都是不一樣的,沙子的蹄選也只能蹄選-?定的粒徑范圍,國際對篩網的孔徑指定了明確的標準,篩網是金屬蹄網,粒徑按照國際標準進行嚴格尺寸進行制作,但是蹄選的過程中會遇到許多困難,1.粒徑范圍的控制。2.蹄選過程中沙子相互擠壓摩擦,造成破損,蹄選抖動次數20次和100次,所蹄選出的沙子是不一樣的,并且蹄選的過程中蹄子的摩擦會造成蹄網孔徑的增大和破損,所以本次實驗沙子的蹄選控制在50次左右,50次是根據預實驗進行測試并得到的數據,此時沙子堆蹄網的影響和沙子相互之間的影響會降低!
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3循環加卸載(相同粒徑不同厚度)位移與循環次數..........22
3.1模型所需要的理論.......... 22
3.2相同粒徑時候,不同厚度時候5個循環..........25
3.3相同粒徑下,不同厚度曲線之間的模型建立.......... 28
3.4本章小結.......... 37
4循環加卸載位移與循環次數的關系模型.......... 39
4.1模型所需要的理論及模型內容.......... 39
4. 2模型建立.......... 46
4.3相同厚度下,不同粒徑曲線之間的模型建立.......... 53
4.4本章小結.......... 56
5循環加卸載曲線的本構方程.......... 57
5.1實驗圖像觀察,及理論概念.......... 57
5.1.1圖像觀察.......... 57
5. 1. 2剛度及剛度與模型之間的聯系.......... 58
5. 1.3滯回環及本構模型的選取.......... 61
5. 2模型的建立.......... 62
5. 3本章小結.......... 65


5循環加卸載曲線的本構方程


5.1實驗圖像觀察,及理論概念
如圖所示,這是70-80 0粒徑沙子在RMT-150B上所得的應力應變曲線,如果能夠把這個曲線的橫坐標和總坐標分別看作X, Y軸,則圖上的曲線就可以用數學方程式的方法表現出來,我們知道幾何圖形是直觀的,而代數方程是比較抽象的,把幾何方程和代數方程結合在一塊,這就可以得到應力應變的本構方程;雖然在實驗中是位移隨著應力的變化而變化,應力是自變量,但是考慮到RMT-150B的作圖特點,和本構方程的更加形象的表達,采用以圖示坐標為準,觀察圖把0點看做是原點,橫坐標應力就是自變量,縱坐標^7代表著應力就是因變量,這樣就看做了數學函數圖像了,只需要推導出其曲線的代數方程,就意味著曲線的方程求出來了,這樣應力應變的本構曲線方程也就求出來了。自0點出發,曲線隨著X軸的變化y逐漸遞增,并且這種遞增有點呈現出線性關系,直線0P和曲線op幾乎重合,至于呈現出什么力學性質和研究意義在第三章已經有所研究了,在X軸mn段,隨著X的增加,y值得變化也相對的遞增,但是此時的遞增已經不再是線性了,曲線的斜率逐漸增加,曲線的斜率不再是恒定的值了;然后觀察nt階段,在單純的圖像領域上,是由n到t的過程,在此過程中y的變化是逐漸的增加,但是我們不能這樣做,不能以這樣的方式,假設以這樣的方式了,那么在nt上,每一個點都會對應兩個或者三個y值,這樣就不能再用函數去表達,自然就求不出方程了,應為在數學中的映射關系上是不存在一個自變量對應多個y值,所以我們在曲線Q點之后的圖像就嚴格按照試驗的原理去理解曲線,Q點之后應力就逐漸減小,此時由于力學的影響位移變小了,不再位移增加,而是位移在逐漸地減小,直到應力變為0。

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總結


本文所研究的是臨時臨時支護設備的充填材料問題,把沙子作為充填材料其力學性質,同樣采用實驗中常用的控制變量法,研究這3個變量分別是:粒徑、厚度、加載方式,研究其力學性質,抗壓強度,破壞程度,尋找出所承受的力、側限和研究變量的關系,實驗使用RMT-150B試驗機,做單軸壓縮,采用循環加卸載實驗;研究沙子在疲勞循環加載的條件下的力學性質,實驗中再次使用到其他的參數,例如表觀密度,堆積密度,加載速率這些參數始終貫穿始終;采用不同粒徑厚度的沙子,進行循環加卸載實驗,研究沙粒的循環加卸載最大多能承受得住應力強度,及沙子的應力應變關系,統計出不同粒徑的強度規律,及繪制出應力應變曲線及彈性模量,泊松比等等一系列的參數;希望可以進一步的去完善臨時臨時支護設備提供參考和依據。并建立了三個模型,分別是相同粒徑不同厚度條件下循環次數和軸向變形之間的本構關系,相同厚度不同粒徑條件下循環次數和軸向變形之間的本構關系,等量循環加卸載應力應變曲線方程,這三個模型;為沙粒的力學性質研究提供了科學的理論依據。
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參考文獻(略)


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