Введение к работе
Актуальность темы
Методы исследования напряженно-деформированного состояния грунтов используют в основном представления теории пластического течения, развивавшейся для описания поведения металлов. Одной из задач механики грунтов является потребность в переработке и усовершенствовании соотношений теории пластического течения применительно к сыпучим средам.
Известно, что гранулированные материалы несут внешнюю нагрузку благодаря силам трения, возникающим в области контакта зерен. Макроскопические напряжения в таких материалах определяются как среднее по некоторому объему от поля микронапряжений, которые выражаются через контактные силы. Основные структурные показатели -количество контактов в единице объема и сопротивляемость единичного контакта зависит от большого числа параметров, таких как минеральный состав, пористость, удельный вес частиц, средний размер, округленность, однородность по грансоставу, ориентация в пространстве, сцепление и т.п.
В некоторых обзорах по этому вопросу отмечается, что прогресс в описании механического поведения грунтов и сыпучих материалов может быть обеспечен, если удастся в полной мере использовать экспериментальные данные для описания параметров . моделей. Проблематичность связана со сложным поведением зернистых сред из-за влияния на напряженно-деформированное состояние большого числа факторов. Характеризуя направление в целом, следует отметить, что современное состояние механики сыпучих сред требует установления приемлемых с экспериментальной точки зрения критериев текучести и законов упрочнения. С этой целью, в частности, предлагается создание международного банка данных по экспериментальным исследованиям грунтов и сыпучих материалов.
Сыпучие материалы характеризуются двумя основными свойствами - пористостью и внутренним трением. Характерная для всех сыпучих материалов пористость определяется долей объема пор, содержащейся в общем объеме материала. Поскольку сыпучие материалы являются дилатирующими, пористость, число контактов и условия на контактах при деформировании непостоянны. В этой связи перспективными следует признать: исследования дилатансии, напряжений внутри деформируемой среды, внутреннего и внешнего статического и кинематического трения при непрерывном относительном проскальзывании частиц; исследования, связанные с оценкой устойчивости сыпучей среды, допредельного и предельного состояний при появлении стационарных поверхностей
скольжения, а так же влияния дилатансни и анизотропии на прочностные характеристики материала для разных условий и видов нагружения. Что касается видов нагружений, следует признать информативность исследований при циклических нагружениях, ломающихся траекториях деформирования, а также исследований при учете главных осей деформаций. Вопросы связанные с механическим поведением сыпучих материалов под нагрузкой, относятся к числу актуальных в строительной механике, геомеханике и т.д. Полученные результаты исследований вазетгы и для решения многих актуальных задач при создании технологического оборудования по переработке сыпучих и порошковых материалов.
Диссертация обобщает результаты исследований, выполненных в ИГД СО РАН по плану НИР ГКНТ СССР, Госплана СССР, АН СССР, Госстроя СССР и СО АН СССР в рамках темы: «Исследование деформирования сыпучих материалов при сложном нагружений (1981 -1985 гг.)». Пост. ГКНТ, Госплана СССР № 516/272/174 от 29.12.81 г., Президиума АН СССР№ 10103-875 от27.05.81 г.
В дальнейшем работы проводились по планам на 1986 - 1990 гг. и на период до 2000 г. по созданию научных основ для изучения физического поведения горных пород и сыпучих материалов при статическом нагружений: «Исследование закономерностей упруго-пластического деформирования сыпучих материалов при статическом нагружений»; «Исследование дилатансии при сложном нагружений и создание рабочей модели и алгоритма решения геометрически нелинейных задач». Пост. ГКНТ Xs 555 от 30.10. 85 г. и № 552 от 29.10.86 г., АН СССР № 10103-2027 г. и № 10103-678 от 11.04.86 г.
Ряд работ выполнялось в рамках программы СО АН СССР «Сибирь», темы «Уровень» и в соответствии с распоряжениями Президиума АН СССР от 16.02.1972 г. № 33-238 и постановлением ГКНТ от 31.12.1971 г. Jfe 530 на передачу предприятиям и организациям своих научно-технических достижений другим предприятиям и организациям и на оказание им помощи в использовании взаимствованного передового опыта.
С 1994 года работа поддерживается грантами РФФИ № 94-05-16428 «Дилатансия сыпучих сред при сложном нагружений» и № 97-05-64850 «Экспериментальное исследование закономерностей пластического деформирования сыпучих сред».
Целью работы является экспериментальное установление закономерностей пластического деформирования сыпучих материалов (дилатансии, нормальных и касательных напряжений, внутреннего и внешнего трения) для разных условий и видов нагружений; разработке прикладных задач с использованием полученных данных о свойствах; нахождение путей интенсификации и оптимизации режимов работы оборудования.
Идея работы заключается в оценке влияния относительного проскальзывания частиц на свойства деформируемой сыпучей среды, с последующим использованием полученных результатов при решении прикладных задач.
Задачами исследования являются:
разработка методик испытаний, оборудования, датчиков касательных и нормальных напряжений, дилатансии, измерительной аппаратуры для исследования деформационных свойств сыпучих материалов при простом сдвиге, ломающихся траекториях, при сложном нагруженин с непрерывным поворотом осей тензора деформаций;
проведение экспериментальных исследований напряженно-деформированного состояния сыпучих образцов для разных программ нагружений, в том числе циклических знакопеременных сдвигов;
исследование дилатансии (пористости), напряжений, внешнего и внутреннего трения, свойств псевдоожнженной среды, а также влияния исходного состояігия материала на деформационные свойства, на направление осей главных напряжений, на дилатансию при изломхх относительно первоначального направления сдвига;
исследование условий возішкновения и «жизни» регулярных структур, в том числе временных, устойчивых структур при плоскопараллельном течении (аналогичном течению Куэтга для вязких жидкостей), структур вокруг жесткого включенім, а также структур в материалах со сцеплением;
разработка технологического оборудования для сыпучих и порошковых материалов, нахождение оптимальных режимов работы оборудования и участие в проведении испытаний.
Методы исследования
Анализ и обобщение результатов предшествующих работ, в том числе, патентный поиск, теоретические и экспериментальные методы исследований с. измерением параметров, характеризующих напряженно-деформированное состояние среды, экспериментальное моделирование процессов, численные и аналитические методы обработки результатов с использованием вычислительной техники, проектно-конструкторские разработки.
Основные научные положения и результаты, защищаемые в работе:
1. При нагруженин сыпучего материала простым сдвигом особое место занимают упаковки, которые получаются в результате циклического нагружения:
- начальная пористость «рыхлой случайной» упаковки складывается из
двух составляющих: объема пустот дефектов и порового объема
бездефектной структуры. Циклическое деформирование вызывает
необратимое изменение упаковки: дефекты ее разрушаются за счет
относительного проскальзывания частиц и, б конечном счете, при деформировании по замкнутому пути упаковка повторяется, т.е. переходит в стационарное состояние;
дилаталсия бездефектной стационарной упаковки характеризуется двумя основными параметрами: минимальной пористостью и вариацией пористости при сдвиге. Оба параметра зависят от амплитуды сдвига: меньшим амплитудам соответствуют более плотные упаковки, наибольшая плотность достигается в середине цикла;
достижение стационарного состояния дялатансии и напряжений происходит одновременно, при этом диаграммы напряжений становятся замкнутыми. Свойства касательных напряжений при деформировании стационарных упаковок в некоторых случаях схожи с поведением металлов в пластической стадии деформирования;
2. Закономерности деформирования сипучих сред по траекториям,
ломающимся относительно первоначального направления сдвига, зависят
от исходной пористости материала и величины излома:
излом траекторий вызывает излом на кривой дилатансии, который может быть оценен во углу наклона касательной к кривой в точке излома;
при увеличении излома угол наклона касательной уменьшается при любой пористости материала. Наибольшая зависимость дилатантной деформации от вида нагружения обнаруживается при малой пористости материала, максимальные дллатантные деформации возникают по линейной траектории нагружения, уменьшаясь с возрастанием излома;
для сухих сыпучих материалов при изломах установлено несовпадение направлений главных осей деформаций и напряжений.
3. Характерная для всех дискретных материалов пористость во многом
определяет механическое поведение материала:
сложное нагружение с непрерывным однонаправленным поворотом главных осей деформаций так же приводит к стационарным упаховкам. При возрастании утла поворота дилатансия себя исчерпывает и выходит на постоянный уровень. Большая деформация приводит к менее плотной упаковке. Изменение направления вращения приводит к качественно новому поведению сыпучей среды - затухающей периодичности дялатансии. Число колебаний до выхода на постоянный уровень зависит от исходной пористости материала;
коэффициент внутреннего трения с увеличением пористости уменьшается. Внешнее кинематическое трение при непрерывном нагружении по сравнению со статическим может снизиться настолько, что частицы с плотностью большей, чем у сыпучего материала, будут погружаться, а более легкие всплывать на поверхность (псевдоожижение). Наличие порога за счет трения на площадках главных напряжений приводит к погружению на предельные глубины, а к всплытию с глубин не
больших критических. Полное водонасыщение среды ПрИЕОДІГГ к увеличению глубины погружешш:
- обнаружен процесс направленного течения материала при сложном
нагружении, за счет остаточных смещений, возникающих при
деформировании неупругого материала.
4. Способность сыпучих материалов снижать сопротивление трения за счет увеличения пористости при больших относительных смешениях частиц способствует возникновению в них процессоз самоорганизации и образования устойчивых структзр:
условия образования и конфигурация регулярных структур, возникающих при разных способах нагружения, зависит от пористости материала;
для стационарных упаковок полученные линии скольжения стационарны и проскальзывание по ним может быть неограниченным.
Достоверность научных положений подтверждается:
- корректным использованием существующих математических
представлений, достаточно строгой постановкой экспериментальных
исследований, большим их объемом и хорошим совпадением результатов
экспериментов с практическими результатами.
Научная новизна
-
Подтверждена основная идея работы о выборе величины относптельного проскальзывания частиц в качестве основного параметра, определяющего состояние зернистой среды при простом сдвиге, ломающихся траекториях, сложном нагружении с непрерывным поворотом главных осей деформаций.
-
Установлены новые закономерности дилатапсии: циклические деформации уменьшают до нуля необратимый объем дефектов, переводя упаковку в стационарный режим, где действует только обратимая составляющая. Обнаружено сходство в поведении стационарных упаковок сыпучих материалов и металлов при деформировании по некоторым траекториям.
-
Установлено влияние исходного состояния материала на напряжения, на направление главных осей деформаций и днлатансию при деформировании по траекториям, ломающимся относительно первоначального направления сдвига. Получена наибольшая зависимость дилатантной деформации от вида нагружения при минимальной пористости материала.
-
Обнаружен процесс направленного течения материала при нагружении с непрерывным поворотом главных осей деформаций. Проведены исследования процесса, найдены его технические приложения.
-
Снижение трения при больших относительных смещениях частиц вызывает погружение тяжелых частиц в деформируемый слой сухого и
водонасыщешюго сыпучего материала. Рассмотрена аналитическая модель процесса, показана возможность использования эффекта для реализации процесса сепарирования.
Личный вклад автора состоит:
в постановке задач исследований и разработке комплекса методик, представляющих в совокупности системный подход к решению главного вопроса - исследований закономерностей деформационных свойств зернистых сред;
в разработке и реализации испытательных экспериментальных стендов: устройств нагружения, датчиков, измерительной аппаратуры с возможностью непрерывной записи параметров деформируемой среды;
в проведении экспериментов, их обработке, анализе результатов, выявлении основных закономерностей деформирования;
в разработке новых смесителей, дозаторов, уплотнителей, питателей сыпучих и порошковых материалов, в непосредственном участии в их промышленных испытаниях.
Практическая ценность и реализация работы в промышленности Разработаны эффективные способы и устройства для усреднения и создаши однородных упаковок частиц сыпучей среды заданной плотности (А.с. № 1202706), а также уплотнение колец Рашига в насадках ионообменных колонн (А.с. № 10573831). Разработаны и реализованы экспресс-методы определения когезнонной прочности мелкодисперсных материалов с внутренним сцеплением частиц (А.с. № 1416896 и др.). Разработано устройство для гравитационного разделения частиц по удельному весу (А.с. Ks 1167803). Факт смены режима трения оказался эффективным для создания устройств подачи сыпучих материалов (А.с. № 1121587, № 1428930 и др.). На их базе разработаны точные весовые дозаторы, в том числе, порционные весовые дозаторы микродоз. Разработаны и реализованы порционные смесители дискретного действия (А.с. № 1172582) н непрерывные гравитационные смесители для получения реакционной смеси при производстве искусственных алмазов.
Оборудование успешно прошло заводские испытания, в том числе: смесители и установка дозирования порошка УДП-1 на Новосибирском заводе Химконцентратов (НЗХК), устройства дозирования и подачи на Саянском алюминиевом заводе (СаАЗ) в системе автоматической подачи глинозема в электролизеры, автоматический дозатор малых доз АД-15,99 ПМ на предприятиях п/я А-7340 (г. Электросталь-1) и п/я M-588I (г. Димитровоград-4). Результаты испытаний подтвердили соответствие устройств техническим требованиям и пригодность для использования в технологическом процессе по переработке сыпучих и порошковых материалов. Вопросы технической реализации результатов исследований этой работы защищены 30 авторскими свидетельствами.
Апробация диссертации
Основные положения и результаты работы докладывались на ХІ-ой Пленарной научной сессии Международного бюро по механике горных пород (Академгородок, Новосибирск, 5-9 июня, 1989 г.), Международной конференции по механике, физике и структуре материалов «Празднование 23 столетия Аристотеля» (Тессалоники, Греция, 1990 г.), семинаре технологического университета Лулео (Швеция, январь, 1992 г.), Сессии специалистов по прочности и деформированию неводосодержащих и несвязных грунтов (Ганновер, Германия, 2-3 марта, 1993 г.) и 11-ти Всесоюзных конференциях. По итогам конкурса фундаментальных работ Сибирского отделения РАН автор диссертации в составе коллектива награжден Дипломом второй степени за работу «Новые закономерности деформирования упруго-пластических и сыпучих сред».
Публикации
По теме диссертации автором опубликовано 20 статей в научных журналах, сделано 30 изобретений.
Объем и структура диссертации
