Экспериментальные исследования закономерностей пластического деформирования сыпучих сред тема автореферата и диссертации по механике, 01.02.07 ВАК РФ

На правах рукописи Для служебного пользования

Экз. № 02

Бобряков Альберт Павлович

ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНЫЕ ИССЛЕДОВАНИЯ ЗАКОНОМЕРНОСТЕЙ ПЛАСТИЧЕСКОГО ДЕФОРМИРОВАНИЯ СЫПУЧИХ СРЕД

Специальность: 01.02.07 — «Механика сыпучих тел, грунтов и горных пород»

АВТОРЕФЕРАТ . диссертации на соискание ученой степени доктора технических наук

Новосибирск - 1999

Работа выполнена в Институте горного дела Сибирского отделения Российской Академии наук

Научный консультант - д.ф.-м.н., профессор Ревуженко А.Ф. Официальные оппоненты:

доктор физико-математических наук, профессор Никитенко А.Ф. доктор физико-математических наук Чанышев А.И.

доктор технических наук, профессор Шутов В.А.

Ведущее предприятие:

Новосибирский государственный университет

Защита состоится 9 июля 1999 г. в 13 часов на заседании диссертационного совета Д 003.17.01 в Институте горного дела СО РАН (630091, г. Новосибирск, Красный проспект, 54).

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке Института горного дела СО РАН.

Автореферат разослан_ июня 1999 г.

Ученый секретарь диссертационного совета доктор технических наук, профессор

Федулов А.И.

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

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 дилатансии и анизотропии на прочностные характеристики материала для разных условий и видов нагружения. Что касается видов нагружешш, 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 нагружении (1981 -1985 гг.)». Пост. ГКНТ, Госплана СССР Ла 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 нагружении: «Исследование закономерностей упруго-пластического деформирования сыпучих материалов при статическом нагружении»; «Исследование дилатансии при сложном нагружении и создание рабочей модели и алгоритма решения геометрически нелинейных задач». Пост. ГКНТ Ks 555 от 30.10. 85 г. и № 552 от 29.10.86 г., АН СССР № 10103-2027 от28.11.85 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 нагружении» 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 нагружении; 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, допатансии, измерительной аппаратуры для исследования деформационных свойств сыпучих материалов при простом сдвиге, ломающихся траекториях, при сложном нагружении 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 состояния материала на деформационные свойства, на направление осей главных напряжений, на днлатансию при изломхх относительно первоначального направления сдвига;

- исследование условий возникновения и «жизни» регулярных структур, в том числе временных, устойчивых структур при плоскопараллельном течении (аналогичном течению Куэтга для вязких жидкостей), структур вокруг жесткого включешм, 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 <; 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 нагружении 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;

- дцлаталсия 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 дилатансии 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 сыпучих 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 по углу наклона касательной к кривой в точке излома;

- при увеличении излома угол наклона касательной уменьшается при любой пористости материала. Наибольшая зависимость дилатаитной деформации от вида натружения обнаруживается при малой пористости материала, максимальные дялатантные деформации возникают по линейной траектории натружения, 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 угла 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 дилатансии. 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 приводт- 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 структур:

- условия образования и конфигурация регулярных структур, возникающих при разных способах нагруження, 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 представлении, достаточно строгой постановкой экспериментальных исследований, большим их объемом и хорошим совпадением результатов экспериментов с практическими результатами.

Научная новизна

1. Подтверждена основная идея работы о выборе величины относительного проскальзывания частиц в качестве основного параметра, определяющего состояние зернистой среды при простом сдвиге, ломающихся траекториях, сложном нагружении с непрерывным поворотом главных осей деформаций.

2. Установлены новые закономерности дилатансии: 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.

3. 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.

4. Обнаружен процесс направленного течения материала при нагружении с непрерывным поворотом главных осей деформаций. Проведены исследования процесса, найдены его технические приложения.

5. 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 с промышленности

Разработаны эффективные способы и устройства для усреднения и создаши однородных упаковок частиц сыпучей среды заданной плотности (A.c. Ш 1202706), а также уплотнение колец Рашяга в насадках ионообменных колонн (A.c. № 10573831). Разработаны и реализованы экспресс-методы определения когезионной прочности мелкодисперсных материалов с внутренним сцеплением частиц (A.c. № 1416896 и др.). Разработано устройство для гравитационного разделения частиц по удельному весу (A.c. Ks 1167803). Факт смены режима трения оказался эффективным для создания устройств подачи сыпучих материалов (A.c. № 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 (A.c. № 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-!) 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 Х1-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

Диссертация состоит из введения, шести глав, заключения, списка литературы и приложения, содержащего документы о практическом использовании результатов. Объем работы 409 страниц, включая 261 страниц текста, 117 рисунков, 1 таблицу, список литературы из 303 наименований, и приложение на 18 страницах.

Автор выражает благодарность научному консультанту профессору А.Ф. Ревуженко за советы и помощь оказанную при выполнении работы. Автор глубоко признателен академику РАН Евгению Ивановичу Шемякину за конструктивные обсуждения результатов и внимание к работе. Автор выражает благодарность В.П. Косых за всемерную помощь на всех этапах работы.

' КРАТКОЕ СОДЕРЖАНИЕ ДИССЕРТАЦИИ

1. Механические свойства сыпучих материалов при простом сдвиге.

Исследование соотношений между напряжениями и деформациями различных материалов находящихся в упруго-пластическом состоянии развивались в основном с ориентацией по отношению к металлам. Для них наглядное представление о различных стадиях процесса деформирования можно получить из рассмотрения опытных диаграмм деформации тела под воздействием нагрузок растяжения - сжатия.

Сыпучие материалы так же, как и металлы относятся к классу улругопластических, ко, в отличие от металлов, они не воспринимают растягивающих нагрузок. Основным видом их нагружения является сдвиг. Изменение знака деформаций и напряжений в сыпучей среде может быть

получено только при сдвиге и, по аналогии с металлами, их поведение можно проследить и сопоставить по касательным напряжениям при нагружении сдвигом сначала в одном, а затем в противоположном направлении. Вид напряженного состояния в условиях простого сдвига и плоской деформации весьма характерен для широкого круга геотехнических задач и строительной техники (работа подпорных стенок, ленточных фундаментов, тоннелей, плотин и т.д.).

Общий вид используемого в работе прибора простого сдвига показан на рис.1. Нагружающая камера имеет каркас, состоящий из продольных 1 и поперечных 2 балок, скрепленных между собой стенками 3. В углах камеры шарнирные соединения в виде вертикальных стержней 4, закрепленных на нижних продольных балках. Перемещение подвижной

Рис. 1

стенки осуществлялось по направляющей рейке 5, закрепленной на основании 6. Внутренняя поверхность камеры обтянута листовой резиной, которая, растягиваясь при сдвиге, изменяла размер боковых стенок и форму дна. Жесткость дна обеспечивалась пакетом установленных на ребро узких пластин 7. При сдвиге пластины скользили относительно друг друга и весь набор повторял форму камеры. Конструкция обеспечила жесткость дна, его формоизменение и постоянство площади при любых

углах сдвига а. Это позволило измерять приращение объема образца при сдвиге (дилатансию) по изменению его высоты. При а-0 дно камеры представляло собой квадрат со стороной 250 мм. Сдвиг осуществлялся со скоростью 2 град/с с помощью винтовой подачи 8, электродвигателя 9 и редуктора 10. Амплитуда и направление сдвига могли задаваться по независимой программе в интервале угла сдвига « = ±14°. Смещение подвижной стенки 1 измерялось потевдиометрическим датчиком, сигнал с которого использовался в качестве развертки при записи измеряемых параметров.

При измерении нормальных и касательных напряжений в сыпучей среде могут оказать влияние деформативные характеристики датчика. В настоящей работе точность достигается за счет повышения жесткости упругого элемента датчика. Разработанный датчик касательных напряжений в своей основе использует принцип определения тяговых усилий, возникающих при сдвиге двух прижатых друг к другу пластин, помещенных в сыпучую среду. Конструкция датчика имеет корпус, состоящий из крышки и основания, которые одновремешю являются силопередающими элементами. Тензорезисторы расположены между крышкой и основанием и с предварительным натяжением закреплены встречно одними концами в центре крышки, другими - на противоположных краях основания. Трение между крышкой и основанием уменьшено за счет стальных шариков, диаметром -0,1 мм, которые в прижатом состоянии удерживаются силами предварительного намагничивания. В конструкции практически полностью исключено влияние нормальных напряжений на результат измерений касательных. При измерении датчик ориентировался так, чтобы плоскость его корпуса и ось чувствительности совпадали с исследуемой площадкой. При этом одна пара тензорезисторов испытывала деформации растяжения, другая -сжатия. При смене направления сдвига знак деформаций менялся.

Измерение нормальной компоненты осуществлялось диафрагменным датчиком, упругий элемент которого вмонтирован в плоское основание рассмотренного датчика касательных напряжений. Компактная конструкция совмещенных на одном основании датчиков позволила иметь информацию о полном напряжении на обследуемой площадке.

Измерительный тракт наряду с использованием известных принципов построения измерительных схем содержит новые решения, которые в совокупности позволили получить малый дрейф нуля, низкий уровень шумов и большой коэффициент усиления.

Первоначальному положению камеры обычно соответствовало среднее положение (а-О); в центр камеры на некоторую глубину устанавливался датчик напряжений; камера заполнялась сыпучим

материалом, при этом фиксировались нормальное статическое давление на датчик и исходная высота образца Н,; иа поверхность образца помещалась легкая тарель для упора упругой консоли с тензорезистором при измерении изменения высоты образца АН. Запись величин ДН, напряжений т и а производилась с разверткой по углу сдвига камеры а.

При сдвиге сыпучей среды за счет изменения взаимного положения частиц создаются условия для изменения объема. Сдвиг приводит к изменению упаковки и, как следствие, - дилатансии. Переупаковка частиц может вызывать как увеличение, так и уменьшение объема, а в некоторых случаях процесс деформирования может протекать и без его изменения.

Рассмотрены результаты экспериментального исследования дилатансии сухого кварцевого песка крупностью частиц 0,2-г 0,4 мм, удельным весом р = 2,55 г/см3. На рис.2 приведена запись изменения высоты образца при знакопеременных сдвигах.

Первоначальная пористость П,=45%, и соответствующая высота образца Н,=177 мм (рыхлая упаковка). На оси ординат отложено изменение высоты образца ДН, точка А соответствует исходному состоянию материала, на оси абсцисс - циклический угол а, пунктиром отмечена переброска пера самописца. При знакопеременных сдвигах

Рис.2

постоянной амплитуды на первой (нестационарной) стадии процесс деформирования носит непериодический характер (верхний ряд кривых). Первые 3 цикла вызывают только уплотнение материала, а последующие

*

сдвиги внутри каждого цикла то уплотняют его, то разрыхляют. Однако, в целом, идет необратимый процесс уплотнения с выходом на постоянный минимальный уровень. Каждый последующий цикл начинает повторять предыдущий, процесс становится периодическим (стационарным). Каждой амплитуде сдвига соответствует свой стационарный режим. Переход с одного стационарного режима на другой происходит практически сразу. На рисунке минимальные стационарные уровни 1-5 соответствуют амплитудам сдвига 2а0=5, 10, 14, 20 и 24°. Меньшим амплитудам соответствуют более плотные упаковки. Наибольшая плотность достигается в середине цикла при а =0.

Начальная пористость упаковки складывается из двух составляющих: объема пустот дефектов и порового объема бездефектной структуры. Знакопеременные сдвиги приводят к устранению дефектов. Преодоление внешней силой сухого трения в одном направлении снимает трение и во всех других направлениях. Те силы, которые не проявлялись, на фоне внешней силы, снявшей трение начинают проявляться и вносить свой вклад в кинематику движения. Для различных пар контактирующих частиц направление сдвига носит случайный характер, направление же веса частиц - постоянно. Поэтому в целом смещения идут так, что потенциальная энергия частиц необратимо уменьшается. Когда процесс себя исчерпывает, упаковки становятся обратимыми. Дилатансия бездефектной (стационарной) упаковки характеризуется двумя основными параметрами: минимальной пористостью и вариацией пористости при сдвиге. Оба параметра зависят от амплитуды сдвига.

Способ засыпки наиболее сильно влияет на поведение материала при первом сдвиге. На рис.3 показаны дилатансионные кривые, полученные при первом сдвиге материала с разной начальной пористостью. Кривые 1-8 получены для разных первоначальных высот образца 165, 168, 173, 174, 178, 179, 184 мм. Условия засыпки влияют на структуру дефектов начальной упаковки, однако, в стационарном состоянии дилатансия от условий засыпки уже не зависит. После определенного числа сдвигов материал «забывает» структуру первоначальной упаковки.

Таким образом, в результате циклического деформирования

происходит необратимое изменение упаковки: дефекты ее разрушаются за счет относительного проскальзывания частиц и, в конечном счете, при деформировании по замкнутому пути упаковка повторяется, т.е. переходит в обратимое состояние. Циклическое деформирование на фоне сил гравитации устраняет основные дефекты достаточно надежно. Качественные особенности полученных закономерностей носят универсальный характер и прослеживаются для всех сыпучих материалов.

Выход в стационарное состояние дилапшеии сопровождается

одновременным выходом

15* 30" 45°

с»,

кПл

5=0*

-12" +12°

Рис.4

и напряжений. На рис.4 приведены стационарные диаграммы напряжений на вертикальных площадках разных направлений, характеризуемых углом 5 между плоскостью

датчика и диагональной плоскостью камеры. Напряжения измерены на глубине Н = 135 мм,

стрелками на диаграммах показано направление сдвига.

Площадка 5=0",

совпадающая с

диагональной плоскостью, является главной (г, = 0), а площадка 6 =45° - максимальных касательных напряжений. При углах 135° > 3 > 45° эпюры напряжений имеют форму зеркального отображения диаграмм на площадках 5 < 45°. При углах <У>135° диаграммы напряжений начинают повторяться. При выходе в стационарное состояние циклические диаграммы дилатансии, нормальных и касательных напряжений смыкаются.

При сдвиге камеры из положения а = -12° до +12° нормальные напряжения падают до некоторого уровня, а затем плавно нарастают. При перемене направления сдвига характер изменения напряжений повторяется. Точка пересечения возрастающих веггвей в зависимости от ориентации площадки меняется относительно среднего положения камеры (а = 0). Для площадки, например, 5 =45* пересечение диаграмм происходит при угле, совпадающим со средним положением камеры. Диаграмма в этом случае симметрична относительно прямой а = 0 (см. рис.4). Напряжения в точках пересечения диаграмм равны давлению вертикального столба материала а,~уН, где у - насыпной вес; Н -

Рис.5

глубина расположения плошадки.

Предварительное нагружение так или иначе меняет упаковку частиц, поэтому его можно рассматривать и как способ создания упаковок с заданными свойствами. Особое место среди них занимают стационарные упаковки, которые, как отмечалось, получаются в результате циклического

нагружения. Любое отклонение от пути нагружения стационарной диаграммы изменяет упаковку, при этом диаграмма становится промежуточной

нестационарной. Вернуть упаковку в стационарное состояние можно несколькими циклическими

нагружениями по прежней программе до ее восстановления.

Рассматриваются свойства

касательных напряжений обратимых упаковок. На рис.5 показаны стационарные диаграммы на площадках максимальных касательных напряжений для трех амплитуд размаха угла сдвига а (кварцевый песок). Из рисунка следует, что максимальное сопротивление сдвигу изменяется непропорционально величине приложенных деформаций: касательные напряжения в конце цикла уменьшились при большой амплитуде сдвига. Такая закономерность связана с дилатансией, которая приводит материал к разупрочнению - уменьшению

пластического модуля сдвига за счет уменьшения внутреннего трения.

На рис.6 показан ход деформации в пластической стадии при промежуточной полной и частичной разгрузке и дальнейшем нагружении. Точкам 1 —>2—>3 —>4—> 1 соответствует стационарная диаграмма касательных напряжений. Если приостановить нагружение на какой-то стадии пластического деформирования и снять нагрузку до нуля, то при повторном нагружении кривая идет до тех пор, пока нагрузка не достигнет значения, при котором началась разгрузка. Этот ход деформации на диаграмме соответствует точкам 2->5-Н>->7-»8. При дальнейшем нагружении кривая деформации пойдет также, как если бы

+12а, град

Рис.6

Рис.7

она шла без промежуточной разгрузки (аналогия закона Герстнера для металлов). Если на пути нагружения произвести частичную разгрузку (не до нуля), а затем произвести повторное нагружение, то точка начала

разгрузки и конец повторной нагрузки снова совпадут, закономерность сохранится.

Рассматривается нагружение когда переход от стационарной диаграммы осуществляется по пути уменьшения угла сдвига. На рис.7 точками 1->2->3-»4->1 обозначена стационарная диаграмма. Если на пути обратного пластического сдвига 4-И, например в точке 5, остановить камеру и изменить направление сдвига, это приведет к возрастанию пластического модуля при последующем прямом течении (угол наклона 6-»3 больше, чем 2-»3). Диаграмма обязательно приходит в исходную точку 3 - точку начала разгрузки (нагружение по пути 3->4->5->6->3) и не зависит от величины обратного сдвига (точку 5 можно заменить на 5'). Аналогия с законом Герстнера прослеживается, когда разгрузка заходит в отрицательную область. При сдвиге за пределы стационарного цикла рост касательных напряжений происходит по прямой 3->7, которая продолжает ветвь

стационарной диаграммы 2-»3.

На рис.8, как и прежде, точкам !->2->3->4—>1 соответствует

стационарный цикл. Если нагружение осуществляется с уходом от стационарной диаграммы за ее пределы, нарастание касательных напряжений осуществляется по прямой 3—»5, которая является продолжением прямой 2—>3 стационарной диаграммы. Обратное пластическое течение происходит с меньшим модулем. Как н в предыдущем случае точка 5 может быть заменена на 5'; диаграммы обратного пластического течения возвращаются в точку 1. Поведение сыпучего материала в рассмотренном нагружении имеет Рис. 8 сходство с поведением металлов:

кПа 32-

упрочнение при прямом пластическом сдвиге приводит к разупрочнению при обратном течении материала (аналогия с эффектом Баушингера). Если в металлах эффект возникает за счет остаточных сил взаимодействия между зернами после малой пластической деформации, в сыпучих средах подобный эффект является следствием дилатансии.

В схемах погружения рис.7, 8 проявляется также некоторая аналогия с анизотропным упрочнением металлов (подобие принципа Мазинга). Для каждого стационарного цикла выполняется условие тС = сопх!, где г -касательное напряжение, при котором началась разгрузка; в - модуль сдвига при обратном пластическом течении. Это означает, что если нагружение заканчивается большим касательным напряжением, обратное пластическое течение будет осуществляться с меньшим модулем.

В заключение рассматривается ход процесса при отклонении от стационарной диаграммы 1 —>2—>3 —>4—> 1 по программе с уменьшающейся

амплитудой сдвига. Графически процесс представлен рис.9. Если в точке 5 повернуть процесс, т.е. вместо дальнейшего увеличения отрицательных значений напряжений начать уменьшать 1гх, процесс пойдет по ветви 5-»6—>7 и в конце концов может прийти в точку 3, т.е. вернуться на предельный цикл. Если точку 7 сделать также поворотной, • н достигнув ее, уменьшить

положительные значения г, то процесс пойдет по новой ветви 7->8->9 и т.д. Из любой поворотной точки, например 5, кривая стремится прийти в предыдущую поворотную точку 3; если в точке 9 опять сделать поворот, процесс пойдет по направлению к прежней поворотной точке 7 и .т.д. Такая закономерность приводит к тому, что при переходе от стационарного цикла с постепенно уменьшающейся амплитудой сдвига, пластический модуль сдвига будет постепенно увеличиваться.

2. Нагружение с изломами траекторий деформирования.

Одна и та же сыпучая среда может иметь множество состояний, характеризующихся различными упаковками частиц. Упаковки, полученные недеформированным способом, например, различными способами засыпки струей из воронки, дождем через сетку, либо иным способом (не считая специальных приводящих к анизотропии) сходны в том, что они являются изотропными. Такой материал при сдвиге в любом

направлении дает одинаковые результаты, но это только при первом сдвиге. Уже после первого сдвига материал приобретает анизотропию свойств для разных направлений дальнейшего деформирования. Циклическое деформировать по неизменной траектории, рассмотренное в предыдущей главе, приводит материал к анизотропии. Обнаружить анизотропию полученной упаковки можно, изменив траекторию деформирования. Уход с прежней траектории в анизотропном материале вызывает изменение параметров деформирования. При рассмотрении состояния данного вопроса формулируется задача исследования, которая заключается в разработке методики и испытательного оборудования для исследования поведения сыпучих сред по траекториям с изломом относительно первоначального направления сдвига; определения влияния исходного состояния материала на деформационные свойства, на направление глааных осей деформаций, на дилатапсию.

На рис.10 показана схема нагружения (вид ссерху). Она содержит устройство нагружения сдвигом, рассмотренного в предыдущей главе, и

устройство излома

в _ траектории

деформирования. Сдвиг осуществляется в камере с жесткими подвижными стенками 1,2, 3 и жестким формоизменяющимся дном. Устройство излома траектории размещается внутри камеры сдвига. В гибкий цилиндрический стакан 4 загружался исследуемый материал. Дно стакана закрыто равномерно растянутой резиной. Стакан устанавливался в круговую цилиндрическую полость, которую образует набор пластин 5 разной длины. "При сдвиге усилия от боковых стенок камеры 1, 3 через пластины передавались на боковую поверхность стакана и деформировали его - круг переходил в эллипс. Если материал сдвигался из «б» в «в» с изломом траектории деформирования, на пути нагружения в положении «а» камера останавливалась, затем стакан с образцом поворачивался на некоторый угол а> и производилось дальнейшее пагружение. Величина излома траектории определяется углом поворота стакана, пропорционально которому изменялось направление деформирования относительно первоначального направления сдвига. Траектория нагружения является двухзвешюй ломаной линией.

Первоначально камера устанавливалась в положение «а», в стакан засыпался песок с рьгхлой упаковкой П„ = 41%. Затем знакопеременными сдвигами пористость приводилась к конечному значению. В опытах она

Рнс. 10

составляла П_ = 41; 37,4; 35,8; 34; 32%. Для каждой пористости проведено семь опытов, в которых поворот стакана менялся в интервале углов о = 0-90°, с шагом через 15°. При повороте на угол со = 90° реализуется экстремальная ситуация: растягивающаяся ось будет сжиматься, а сжимающаяся - растягиваться. При дальнейшем увеличении излома ситуации, которые встречались в интервале углов со = 0-90°, повторяются.

На рис.11 приведена запись процесса от начала засыпки образца

т&е ¿1 __

: "б>» ~ ге=12"

" в ы=0о

/ 30

^................4*

I 'Ч^а

Рис. И

высотой Н, =190 мм (П0 = 41%), его уплотнения циклическими сдвигами до Н„ = 17,2 мм (П_ = 34%) и последующего испытания. Камера находится в положении «б». Простелим теперь, как будет меняться высота образца при сдвиге камеры на пути «б->а->в» при простом (й> = 0) и двух вариантах сложного нагружения (о = 30 и 90"). Для наглядности

результирующие графики

совмещены, но получены в разных опытах. Видно, что излом траектории вызывает излом на кривой дилатансни, который оценивался по углу наклона касательной к кривой в точке излома (на рисунке со - 90°). Параметр, характеризующий угол наклона, вычислялся в

безразмерных координатах АН 180" " ~ Н ' Дая- '

Рис. 12

•е-

н

где ^^ - дилатантная деформация; а - угол в градусах.

На рис.12 приведены значения параметра у в зависимости от угла излома со для разной пористости песка. Значения V плотной упаковки (П. =32%), практически по всем траекториям положительны, т.е. материал имеет тенденцию к увеличению объема и лишь с приближением к ¿у = 90° становится отрицательным. Рыхлая упаковка (Г1к = 41 %), обнаруживает иное поведение - по сем траекториям после излома уплотняется. Остальные графики обнаруживают промежуточный тип поведения. В целом увеличение угла излома траектории уменьшает параметр у при любой пористости материала.

Сдвиг камеры после излома составлял угол а =12° (рис.11). Падение уровня материала в точке излома сказывается на результирующей (конечной) дилатансии в точке «в». На рис. 13 приведены значения дилатантной деформации в точке «в» в зависимости от пористости материала по четырем траекториям нагружения.

Максимальные деформации возникают "зо 34 з« п.% по линейной траектории нагружения ■

й> = 0 и уменьшаются с возрастанием угла излома. Наибольшая зависимость дилатантной деформации от вида нагружения имеет место при минимальной пористости материала. Действительно, вариация траекторий нагружения материала с пористостью П_ =32% дает большие изменения деформаций, чем та же вариация с пористостью П. = 41 %.

Далее рассматривается вопрос о направлении осей главных

напряжений на ломаных <> траекториях деформирования. На

рис.14 схематично показана камера нагружения и гибкий стакан, в центре которого датчик касательных напряжений показан в двух положениях относительно диагонали камеры: г - начальное положение, при котором Рис. 14 осуществлялось циклическое

уплотнение материала до одинаковой во всех опытах пористости Пш = 32%, д - положение датчика

1 1

ш=0"

50 60

— —

34

Рис.13

после поворота стакана перед испытанием.

Для получения результата важно знать ориентацию плоскости датчика, где г = 0, относительно диагоналей камеры. При линейной траектории эти направления совпадают, поэтому направление диагонали взято в качестве опорного, от которого в опытах производился отсчет углов, образованных направлениями осей главных напряжений при изломах.

Таким образом, исследование сводилось к нахождению плоскости, где г = 0, и отсчету угла между направлением диагонали и этой плоскостью. Излом, при котором новое направление плоскости датчика совпадало с площадкой, где т = О обозначено через а'. В экспериментах датчик устанавливался в центре стакана под некоторым углом а, к направлению диагонали (см.рис. 14 -г). Угол выбирался произвольно, но при испытании им будет определяться величина излома. Стакан вместе с датчиком поворачивался на некоторый угол <и (см. рис.14 - ()) и продолжалось нагружение. Одновременно с изломом траектории датчик устанавливался на гамерение напряжений на площадке с новым направлением. Когда плоскость датчика совмещалась с направлением диагонали а6 = ю касательные напряжения уменьшались, но не становились равными нулю. Обнаружилось несовпадение осей главных напряжений и деформаций. Касательные напряжения падали до нуля, если поворот стакана осуществлялся на угол а" -а0+ р, где р - угол между осями главных напряжений и деформаций. Варьируя углами начальной установки датчика ав, исследовалась величина со". В интервале углов а„ =10-45° наблюдаемое в опытах «отставание» осей главных деформаций от осей главных напряжений в среднем составило значение Р я 7°.

3. Сложное нагружекие с непрерывным поворотом осей тензора деформаций.

Существует класс сложных нагружений", когда в процессе деформирования направления траекторий могут непрерывно меняться. Для таких нагружений возможно выполнение условий, при которых конфигурация границы деформируемой области может оставаться неизменной, либо меняться периодически. Рассмотрим реализацию нагружения такого типа. Кинематическая схема и общий вид устройства нагружения показаны на рис. 15.

В гибкую цилиндрическую камеру 2, дно которой закрыто

' Ревужснко ЛФ Одян класс сложных нэгруждонй неупругой среды. ПМТФ. 1986. Л>*> С. ] 50 - 158.

равномерно растянутой и скрепленной с оболочкой резиной 3, помещался сыпучий материал 1. Устройство нагружения представляло набор сменных

,1

Рис. 15

пластин - шаблонов 4 с соосными эллиптическими отверстиями, в которые вставлялась цилиндрическая камера. После установки камера принимала вид прямого эллиптического цилиндра с полуосями эллипса а>Ь. Деформирование осуществлялось вращением шаблонов вокруг неподвижной камеры. Возникающий за счет трения момент в скользящем контакте с шаблонами, компенсировался гибкими тягами 7, закрепленными к неподвижным стойкам 8. Ось 5, на которой ярусом закреплены шаблоны, установлена на основании 6 через подшипники. Вращение оси 5 приводило к периодическому деформированию тела, помещенного в камеру. В процессе деформирования малая ось эллипса переходила в большую, затем опять в малую ось и так далее, т.е. длина ее

менялась в диапазоне 2Ь до 2а. Поэтому в качестве интегральной меры деформаций можно принять £=(а-Ь)/а = \-к, где коэффициент сжатия эллипса.

В рассмотренном нагружении площадь сечения камеры при любых углах поворота остается неизменной, поэтому изменение высоты образца повторяет Рис. 16 изменение его объема (дилатансии).

5л

Юл

-5

-10

-15

ДН,

мм

1

\

ч 1

2

Камера заполнялась сухим кварцевым песком. На поверхность образца устанавливался датчик дилатансии, сигнал с которого пропорциональный изменению высоты образца ДН выводился на графопостроитель и записывался с разверткой по углу поворота шаблонов а.

На рис.16 приведены графики при однонаправленном вращении шаблонов с коэффициентами сжатия - к=0,82; 0,86 (кривые 1, 2 соответственно). Начало координат соответствует исходному состоянию материала с пористостью П0=43,5%. Видно, что с увеличением угла поворота материал монотонно и необратимо уплотняется; процесс уплотнения протекает более интенсивно при меньших значениях к (кривая 1). При а—упаковки становятся стационарными, изменение объема прекращается (кривые имеют асимптоту), стационарные уровни кривых 1 и 2 соответствуют значениям гтористостей П. =37,2 н 36,4%, большая деформация приводит к менее плотной упаковке.

Отметим, что на начальной стадии деформирования материал, имеющий исходную пористость меньше критической будет разрыхляться, а больше критической - уплотняться. Однако для того и другого состояния при достаточно больших углах днлатансия себя исчерпывает, упаковка переходит в стационарное состояние постоянной пористости,

соответствующей только данной деформации.

На рис. 17 приведен график стационарных значений пористости кварцевого песка для разных деформаций, которая в исследованном диапазоне представляется зависимостью в виде отрезков прямых с разным

наклоном к оси абсцисс. При стремлении деформации к нулю (А'-»1) пористость стремится к значению П,. = 31 %,

соответствующему самой плотной упаковке, которая может быть достигнута этим способом.

Рассматривается нагружение стационарной упаковки с изменением направления вращения шаблонов (¿=0,86). Если в точке А (рис.18) изменить направление рис ^ вращения шаблонов, то материал

п» %

38

34

30

10

20

30 е. %

Рис. 17

5п

Юл

-10

-20

ЛИ, мч

а, рад

резко уплотниться, затем начнет разрыхляться и через несколько колебаний опять придет к стационарному уровню 1, т.е. «память» о предыдущей упаковке стирается достаточно легко.

Если шаблонам придать медленные знакопеременные колебания а, небольшой амплитуды, то через определенное число циклов N дилатанснонные кривые становятся периодическими, упаковка переходит в стационарное состояние, с более плотной упаковкой, чем при а -» °о. Уровень 2 соответствует пористости II г =32% и получен при циклическом нагружении с углом = 45° после N = 23 циклов деформирования. Если из этого состояния перейти к монотонному нагруженто а ->°о, то произойдет резкое разрыхление с выходом на прежний стационарный уровень через большее число колебаний. Уровень 3 с пористостью Пг =38,5% получен циклическим нагруженнем (N = 14) большей амплитуды размаха угла с. =80". Переход к напру же нию а да по сравнению с предыдущим вариантом (а. = 45°) осуществляется уже за меньшее число колебаний. Стационарная упаковка с уровнем 2 характеризуется в большей степени выраженной анизотропией. При переходе с одного стационарного режима на другой обнаруживается качественно новое поведение сыпучего материала - затухающая периодичность дилатансионной кривой.

Рассматривается методика и результаты экспериментального исследования внутреннего трения сыпучей среды, а также влияние воды на напряженно-деформированное состояние. Сложное нагруженпе оказалось удобным для исследования влияния пористости материала на внутреннее трение. Данные исследования приведены для кварцевого песка. В опытах при разных деформациях определялись напряженное состояние и пористость материала. На рис.19 приведены эпюры напряжений от начала деформирования исходной рыхлой засыпки до выхода ее в стационарный режим, при котором процесс становиться периодическим. Напряженное

С,«Па

г-1

О,

1-

0

гк 4К 6ГС ВЯ оС,рад

г^ч/\л/\ААЛЛ/

Рис. 19

состояние в любой точке образца зависит от вертикального давления: нормальные напряжения на вертикальных площадках <тж и <тг колеблются

с амплитудой сг, относительно постоянного напряжения на горизонтальной площадке сг. = /_Н.

В качестве критерия прочности материала принято условие Хилла-Треска, которое предполагает линейную зависимость между сг, и г,. Линейность подтверждена экспериментально. С учетом принятых обозначений коэффициент внутреннего трения определялся из выражения (см. рис.19):

2<х сг

¡дд>„=!пах-— = тах——, где - параметр прочности этого

+ Г. н

условия. Опыты показывают, что с увеличением деформаций, сыпучая среда за счет переупаковки становится более пористой. Такое состояние материала характеризуется уменьшением сопротивления деформированию и соответствующему падению амплитуды касательных напряжений при том же вертикальном давлении.

На рис.20 приведены значения коэффициента трения (темные точки),

вычисленные по этой методике для разной пористости. Полученная зависимость нелинейна: при малой пористости кривая имеет возрастающий участок, при выходе на большую пористость значения отношения падают. Эта данные сопоставлялись с результатами, полученными по другой методике -углу естественного откоса. Опыты проводилась в сдвиговой камере, в которой материал уплотнялся знакопеременными сдвигами до заданной пористости. В эксперименте определялись углы откоса при соответствующей пористости материала (рис.20, светлые точки). Получена хорошая повторяемость результатов.

При исследовании внешнего трения показано, что непрерывное деформирование при сложном нагружении приводит сыпучий материал в состояние псевдоожижения. Кинематическое внешнее трение в сыпучем материале по сравнению со статическим может снизиться настолько, что частицы с плотностью большей, чем у сыпучего материала будут погружаться, а более легкие всплывать на поверхность.

2<3,

Л..

0,80.6 0,40,2-

0

'х "у

30 32 34 35 ЗАПУ,%

Рис. 20

Рассмотрим условия проявления этого свойства. На рис.21 (вид сверху) на жесткой горизонтальной поверхности покоится тело весом Р. Если приложить к телу в направлении Ог матую сдвигающую силу т так, что порог трения не преодолен, тело остается неподвижным (г < Т ■ Р). Приложив затем в направлении Ох силу К, с преодолением порога трения, тело начнет скользить в направлении ОА, причем

л/РЧ1:Г = Г-Р;

х

т 8та =-: г =г-8ша.

ГР

Составляющие скорости и смещения в направлении Ог будут с

Р, =--г ;

' Р-Г

Рис.21 я ±_

' Р-1

Закон трения проявляется как вязкий, поскольку скорость тела пропорциональна силе т, действующей в этом же направлении. Главным в поведении тела рассмотренного примера является то обстоятельство, что последние равенства не содержат никакого порога: какой бы малой ни была сила г, перемещение в направлении действия этой силы все равно будет реализовано. И в этом случае рассмотренная схема нагружения для реализации эффекта псевдовязкости является идеальной.

При рассмотрении проявления эффекта в объеме сдвигаемого сыпучего образца необходимо учитывать его напряженное состояние, которое содержит в себе и сжатие и сдвиг. Поэтому в деформируемом объеме могут быть получены разные результаты: максимальный эффект уменьшения сухого трения достигается на площадках максимальных касательных напряжений, а на площадках главных напряжений этот эффект отсутстЬует. Коэффициент трения здесь остается постоянным и равным статическому значению. На всех оставшихся направлениях реализуется промежуточная ситуация: эффект имеет место, но проявляется в большей или меньшей степени. Эксперименты по погружению тонкой стальной пластины, ориентированной вертикально по разным направлениям в сыпучем образце при сдвиге, подтвердили этот результат. Очевидно, что если в деформируемую среду погружается тело вращения, например, цилиндр, средняя величина кинематического порога трения по сравнению с трением покоя уменьшится, но полностью не исчезнет.

Для определения кинематического порога внешнего трения в непрерывно деформируемую среду гтрн сложном нагр ужении погружалась стальная трубка весом О,, радиусом И-6 мм, заглушённая с торца пробкой (рис.22). Под действием силы С=0, где О, - противовес, трубка

А

а*

пофужалась на максимальную глубину Н,. Затем за счет приложения со стороны свободного торца дополнительной силы трубка принудительно погружалась, так, что после снятия этой силы она всплывала и останавливалась на глубине Нг. Длины Н, и Нг не совпадали, при этом ДН=Н2-Н, >0. В этом принципиальное отличие сыпучих от вязких жидкостей, где ДН=0. Порог трения вызывает появление порога ДН. Из условия равновесия определялись значения коэффициента трения. График зависимости представлен на рис.23 (кривая 1), из которого следует, что с началом деформирования устанавливается постоянный порог трения, независящий от пористости материала. Порог трения покоя (кривая 2) определялся по силе выдергивания погруженной трубки. С возрастанием пористости материала значения его уменьшаются и выходят на постоянный уровень.

Погружение тяжелых шаров в деформируемый слой сухого и водонасыщенного материала в начале реализуется интенсивно, затем процесс замедляется с постепенным приближением глубины к предельному значению. Наличие порога приводит к погружению тяжелых шаров на предельные глубины, а легких к всплытию с глубин не больших критических.

Из условия равновесия веса шара, выталкивающей силы и порога трения максимальная глубина погружения

Рис. 22

0,4 0,3 0,2

; 2 ;

' у

34 3<5 38

Рис. 23

^о п., %

определяется выражением: 2И 3 Г

н =~

—-1

и»

где рш и /„ - удельный вес шара и насыпной

вес песка. Если уш » рт, например, для легкого пенопластового шара, то =^^(-1) , т.е. шар может всплыть с небольшой глубины.

В случае полного водонасыщения песка глубина погружения увеличивается и определяется выражением:

21ф„-г.-л(1-Г„ А,)

Я.,, =-— -> —■ I' - . где Р. и р. - удельный вес воды

и песка.

Сравнение расчетов с данными экспериментов подтвердило хорошую сходимость результатов. Показана возможность разделения частиц по удельному весу в псевдоожиженной сыпучей среде при непрерывном сложном лагружении.

Далее исследуется напряженное состояние при сложном нагружении составного образца - смеси вязкой жидкости и сыпучего материала. Предварительно определялось главное направление тензора скоростей деформации по круглому пятну диаметром 4 мм из закрашенного материала, нанесенному на свободную поверхность образца. С началом деформирования 1фуг превращается в эллипс, «вытягиваясь» в сторону главного направления скоростей деформаций. Установлено, что главное направление тензора скоростей деформаций составляет с большой осью эллиптического шаблона угол в, = 45".

Для определения главных направлений тензора напряжений датчик напряжений размещался вертикально в центре горизонтального сечения образца на глубине ~80 мм. На осциллограммах напряжений отмечались точками моменты, когда малая ось эллипса совпадала с плоскостью датчика. Показания датчика зависят только от «наличного» положения относительно осей эллипса и определяются только фазой внутри цикла.

На рис.24 приведены стационарные графики нормальных а„ и касательных г„ напряжений для сухого кварцевого песка (крупность частиц 0,3 мм), меда (кинематическая вязкость 860-10"* м2/с), смеси песка с глицерином при полностью заполненном поровом объеме (кинематическая вязкость глицерина 12-Ю-1 м2/с) и смеси песка с медом (44% меда и 56% песка по весу). Скорость вращения шаблонов - 3,78 с'1, коэффициент сжатия к = 0,91. Рассматриваемое нагружение носнт периодический характер, с периодом равным времени поворота шаблонов на угол л. Положение отметок позволяет судить о степени разосности тензоров напряжений и скоростей деформаций. Для меда точка отмечает максимум касательных и среднее значение нормальных напряжений, т.е. главное направление тензора напряжений ст, отклоняется от оси эллигтгического шаблона на угол 45" - тензоры напряжений и скоростей деформаций соосны. Полученный результат является прямым экспериментальным подтверждением соосности и - главное - тестом для методики в целом. Поведение сухого песка противоположно поведению вязкой жидкости. Здесь точки отмечают минимум нормальных и нулевое значение касательных напряжений - главные оси тензора напряжений отклоняются от осей тензора скоростей деформаций на угол - 45°. В

данном случае соослы тензоры напряжений и деформаций. В сыпучих материалах, состоящих из отдельных сухих частиц, эффекты вязкости отсутствуют. Напряжения, возникающие при деформировании сухого кварцевого песка со скоростями вращения 0,2 с"1 и в 40 раз больше, как и следовало ожидать, одинаковы.

к *!:«

0«, кП» А А А А

4-Д.. У \ / \

/ \ / \ / \

/ \ / \ Лн| V

2*

песок

(г. СП| х А х Х-

3 г омЛа • 2

гН

2я Зя а, р*д

>111 ___

О.кш

гн

2и Эк а, рад

песок + мед

2* 31 И.М песас + глицерин

Рис. 24

Если объем пор заполнен вязкой жидкостью, такая среда обнаруживает промежуточный тип поведения. Для смеси песка с медом при скорости нагружения 3,78 с"1 угол разосности тензоров напряжений и скоростей деформаций составляет 31". С увеличением скорости амплитуда напряжений возрастает, а разосность уменьшается (вязкие свойства становятся преобладающими).

Смесь песка с глицерином проявляет те же свойства, что и чистый песок, только амплитуда колебаний <т0 в такой среде уменьшается из-за уменьшения вертикального давления песка за счет выталкивающей силы. Для указанной скорости деформирования вязкие свойства среды проявляются слабо из-за малой (по сравнению с медом) вязкости глицерина.

С использованием сложного нагружения моделируются процессы

зя а.

приливного деформирования Земли*. Известно, что одним из источников поступления энергии в недра Земли являются приливы, которые вызываются массовыми силами. В поле гравитации планета испытывает деформацию растяжения в направлении возмущающего тела, поэтому при вращении ее вокруг оси области растяжения сменяются на области сжатия с периодом равным времени поворота на угол я.

Вначале рассмотрена плоская модель, которая позволила выделить некоторые эффекты неупругой реакции при нагружении, когда конфигурация поверхности, ограничивающей неупругое тело, остается неизменной. Нагружение такого типа рассмотрено ранее (см. рис. 15). Исследовались упругие и различные неупругие материалы: сыпучие, пластические, вязкие жидкости (густой н жидкий мед, глицерин, масло, кинематическая вязкость 860-Ю"1; 15-Ю"1; 12-Ю4; 1,2-10 4 м2Ус соответственно), смеси сыпучих с жидкостями и другие материалы с более сложной реологией. Наблюдение за движением отдельных точек неупругих материалов показало, что за один полный цикл деформирования точки свободной поверхности образца к первоначальному положению не возвращались. С увеличением числа циклов остаточные смещения накапливались, что приводило к глобальному, действующему в масштабах всей области, переносу масс.

На рис.25 показаны смещения частиц закрашенного песка, расположенного первоначально на большой оси после 40 циклов деформирования (£ = Ь/а = 0,91). Каждая материальная точка внутри

области движется вокруг центра по траектории, близкой к

эллиптической. Все траектории замкнуты, но периоды обращения различных точек - различны. Максимальная угловая скорость вращения достигается в центре области и уменьшается к периферии. Подробно исследовано влияние изменения масштаба модели, эксцентриситетов и скоростей нагруження.

Установлено, что качественная картина процесса сохраняется. Приливы вызывают остаточные смещения, которые незначительны за один цикл; при многократном пробеганяи приливной волны они могут достигать значительных величин.

* Модель приливов предложена дф.-м.«. А.Ф. Рев>«ен*о.

Рис. 25

Объемное моделирование процесса проводилось деформированием упругой сферической оболочки в плоскости экватора, заполненной неупругим материалом. Эксперименты показали, что массоперенос при неоднородном объемном деформировании сохраняется, при этом плоскую модель можно использовать для имитации объемного деформирования (здесь широта выступает только в качестве параметра задачи).

4. Регулярные структуры в процессах деформировании сыпучих сред.

В механике всегда был большой интерес к процесса.«, з которых так или иначе возникают структуры. Для горных пород такая ситуация типична. Разрывное поведение язляется одним из основных свойств и (регулированных материалов. Механизм разрывов наблюдается в виде прерывистых и периодических полос скольжения и проявляется при различных способах нагруження. Известно, что сдвиг сыпучего материала может привести к неустойчивому состоянию, когда однородно деформированный образец делится по плоскостям скольжения на отдельные блоки. В механике сыпучей среды большое значение придается вопросу об ориентации площадок скольжения.

С учетом условия Кулона - Мора по нормальным и касательным напряжениям (рис.4) определены величины максимальных отношений г,/<7,, возникающих на площадках разных направлений. На рпс.26 приведены абсолютные значения отношений в зависимости от ориентации площадок при прямом и обратном направлениях сдвига. Из графика следует, что наибольшие значения максимальных отношений возникают

на двух площадках для каждого направления сдвига. Эксперименты по

исследованию предельных состояний среды

подтверждают этот результат. При сдвиге на свободной поверхности действительно возникает четыре семейства линий скольжения (по четырем направлениям). Однако,

реально в одном эксперименте, как правило, функционирует только два семейства линий - одно при прямом, другое - при обратном ходе камеры. Локализация приводит к новому механизму деформирования с нарушением однородности напряжений. Измерения напряжений внутри блоков показали, что максимальные касательные напряжения с удалением

Рис. 26

от плоскости скольжения увеличиваются до средины блока, но критического значения не достигают. Этот факт определяет абсолютное расстояние между линиями скольжения.

Ширина зоны скольжения зависит от среднего диаметра частиц (рис.27). Расстояние между линиями скольжения так же зависит от диаметра частиц, зависит и от исходной упаковки материала. Установлено, что критические значения отношений т, /с, меняются в зависимости от пористости материала, которой определяется прочность образца. На рис.28 приведены данные расстояний между линиями плотных обратимых упаковок частиц разных размеров. Для сравнения светлыми точками отмечены расстояния, полученные на рыхлых нестационарных упаковках.

4 Л мм

Рис. 27

3 4 <1 мм

Рис. 28

Рассматриваются временные структуры, примеры которых дает сыпучая среда при нагружении, когда конфигурация границы деформируемой области неизменна и при истечении слоя сыпучего материала в желобе под действием сил гравитации. В первом случае процесс реализуется при сложном нагружении с непрерывным поворотом главных осей деформации (рис.15). При таком нагружении граница в любой момент представляет собой эллипс с постоянным эксцентриситетом к. При увеличении X до значений X =0,661 реакция среды качественно не меняется, меняются только параметры стационарных состояний: уменьшаются напряжения, возрастает высота образца (пористость) - его потенциальная энергия.

Графики высоты образца представляют собой прямые постоянных уровней, не зависящие от угла поворота. С увеличением X уровни смещаются вверх - потенциальная энергия увеличивается. Последующее увеличение параметра Я приводит к качественно новому течению процесса, при котором дилатансия приобретает пульсирующий, периодический во времени характер. Период пульсации равен времени поворота шаблонов на угол -40е. Причиной формирования временных

структур является периодически возникающая локализация сдвигов. За счет конвективного переноса и поворота система линий возникшего семейства функционировать перестает. Положительная дилатансия и напряжения в образце снова растут, пока не достигнут критической величины и не возникнет новая структура с другой ориентацией линий. Процесс повторяется. В целом у процесса появляется свой внутренний масштаб времени.

Другим примером рождения подобных структур, является истечение слоя И сыпучего материала в открытом наклонном желобе. Экспериментальная установка показана на рис.29. Боковые стенки желоба

1 выполнены из стекла. Наклон менялся поворотным устройством 2. Материал засыпался ровным слоем толщиной /», по всей длине которого наносились маркирующие полосы из закрашенного материала. Затем желоб наклонялся и при фиксированном угле р открывалась шиберная заслонка 3. Массовая скорость потока т измерялась электронным взвешивающим

устройством 4 с записью процесса ' на графопостроителе с разверткой по времен)!. С увеличением наклона скорость возрастает, но сохраняется постоянной в каждом опыте. Этот процесс похож на процесс рассмотренный выше. На рис.30 приведены экспериментальные зависимости т от времени при разных наклонах желоба. Установлено, что процесс может пропекать по двум механизмам: с локализацией и

последующим обрушением материала на откосе слоя, либо без таковой. Поэтому истечение материала по склону может происходить также либо в пульсирующем режиме, либо стационарно, когда форма откоса сохраняется неизменной, а его свободная поверхность, подобно фронту волны, смещается вверх.

В режиме пульсации материал отделяется отдельными блоками, которые скатываются с откоса к его основанию. Последнее приводит к изменению краевых условий для остального материала; предельное состояние достигается на определенном шаге от новой поверхности и весь

Рис. 29

Рис. 30

цикл повторяется снова. Критические напряжения достигаются на некотором конечном расстоянии от свободной поверхности, это и дает шаг по пространству. Такой механизм соответствует периодическому лавинообразному обрушению материала, сопровождающемуся его ритмичным оттоком от основного массива, чем создается пульсирующий режим истечения по склону. Размерный анализ показывает, что период Т зависит от угла наклона и пропорционален -Jh/g, где g • ускорение свободного падения. Это подтверждается результатами экспериментов, в которых при изменении высоты слоя А, определялись периоды пульсаций Т при ¡5 — const. Экспериментально полученная зависимость хорошо

описывается прямой в координатах Т - Jh .

Возникающие структуры зависят от свойств среды, условий нагружения и могут носить пространственный, временной или пространственно-временной характер. На модельных материалах приводятся пространственно-временные структуры, возникающие вокруг подземных сооружений. С учетом масштабного фактора моделируется круглая выработка, испытывающая сдвиг. Выработка с крепью имитируется жестким цилиндрическим включением в сыпучей среде. При сложном нагружсшш с непрерывным поворотом главных осей

деформаций, в котором направление сдвига так же меняется непрерывно, вокруг жесткого включения возникает два равноправных семейства линий скольжения в виде противоположно закрученных логарифмических

спиралей (рис.31), При повороте шаблонов происходит поочередное их функционирование и образуется регулярная сетка линий скольжения. Отмечается сходство с линиями скольжения, полученными при решении задачи о напряженном состоянии вокруг цилиндрической выработки. Это сходство показывает адекватность моделирования горных пород сыпучими материалами и позволяет надеяться на полезность такого моделирования при разработке расчетных схем подземных выработок.

В механике трещин большой интерес представляет вопрос о траекториях и системах трещин, возникающих при разных схемах нагружения. В работе рассматриваются пространственные структуры, возникающие при плоском растяжении тонких пленок и тонкого слоя мелкодисперсного порошкового материала со сцеплением. Деформации задавались в двух ортогональных направлениях в,, е, независимо. В

первой схеме деформации г, и ег задавались поочередно (ломаная траектория), во второй одновременно е, = е,. Устройство имеет два независимых привода, обеспечивающих растяжение листовой резины (подложки) в двух направлениях. Первоначально процесс трещинообразования исследовался на хрупких покрытиях нитроэмалевой пленки и силикатного клея, которые ровным слоем наносилась на подложку (предел прочности нитроэмали а', =40,26 кг/см2 ,силикатного

клея сг" = 67,5 кг/см2). При одноосном растяжении образуется система параллельных сквозных трещин, расположенных нормально к направлению растяжения. Расстояние между трещинами Ь в зависимости от приложенных деформаций для разных толщин / нитроэмали 1, 2, 3 (/=0,025; 0,04; 0,075 мм) и силикатного клея 4 (/=0,1 мм) показаны на рис.32. Если создавалась такая же деформация в поперечном направлении сг, то все поле растрескивалось локальными трещинами, длина которых ограничивалась существующей системой трещин. В целом, форма сетки растрескавшегося покрытия при нагружении по ломаной траектории напоминает собой «кирпичную кладку».

При определенных условиях деформирования может происходить образование структур в виде правильных шестиугольников. Подобные фигуры должны отвечать равномерному полю деформаций ел = ег. Однако, в эксперименте для такого натр ужения получено число АЧ, = 4Д7 (см. рис.33), что значительно меньше предельного числа 6.

Рис. 32

Рис. 33 Рис. 34

Главной причиной является динамика разрушения, приводящая к непрогнозируемому росту других грешил. В опытах, где в качестве

материала использовался слои порошкового материала со сцеплением, динамика процесса отсутствовала (рис.34, г, = сг). При равномерном нагружении блоки имеют приблизительно одинаковые размеры по всем направлениям со средним размером А^ = 5,0. В условиях отсутствия

динамики проявилось стремление системы заключить наибольший объем в минимальных границах.

При рассмотрении временных структур было показано, что в эллиптическом течении существует критическая деформация, сопровождающаяся появлением регулярных структур. В результате конвективного поворота для среды без внутреннего сцепления эти структуры периодически то появляются, то исчезают. Тем не менее эти системы . выделяют в материале структурные ячейки. Реология водонасыщенного песка также удовлетворяет указанным выше требованиям. Отличие состоит в том, что из-за сцепления образец разделяется на отдельные устойчивые ячейки, которые не распадаются и сохраняют свою форму. На рис.35 приведена фотография структуры,

полученной с объемом введенной жидкости У_=131 см3 (объем пор сухого песка У-ог = 115 см3). Содержание жидкости приводит к уменьшению средних размеров ячейки и в координатах «средний размер ячейки -коэффициент насыщения (\т/Ут)» эта зависимость близка к линейной.

Существующие способы изучения локализации при сдвиге имеют одно существенное ограничение, которое не позволяет добиться в экспериментах значительных проскальзываний по поверхностям скольжения. Была поставлена цель реализации процессов течения геоматериалов при больших сдвигах. Поиск способа нагружения, в котором стало бы возможным расширить диапазон моделирования, позволил остановиться на реализации течения Куэтга между параллельными пластинами. Подобное нагружение для сыпучих сред имеет свои трудности, связанные с проскальзыванием материала вблизи границы движущейся стенки в касательном направлении. Вследствие этого информация о характере нагружения внутрь образца не передается.

Автор выражает благодарность В.П. Косых за всемерную помощь на всех этапах рабсггы.Кинематическая схема нагружения, с помощью которой удалось реализовать такое течение, приведена на рис.36. В гибкую цилиндрическую камеру 1 с эластичным дном из тонкой резины

Рис. 35

Рис. 36

помещался исследуемый материал. Ведущий цилиндрический шкив 2 с несколькими проточками для ременных передач, приводился во вращение от редуктора. Вращение от него к ведомому шкиву 3 передавалось с помощью нескольких ременных передач 4, расположенных равномерно по

высоте. Натяжение ремней осуществлялось изменением базы между шкивами. Камера с материалом устанавливалась внутри ременных передач и опиралась на гладкую поверхность 5. Снаружи ремни поджимались жесткими подвижными платформами 6, которые обеспечивали сжатие камеры и параллельность ее движущихся плоских стенок.

При исследовании процессов течения пластической среды использовался песок разной крупности частиц. Вначале рассмотрен процесс эволюции возникающих структур при ступенчатом возрастании деформаций. Величина деформаций при циклическом нагружении приводит в каждом отдельном случае к установлению стационарных значений пористости материала и появлению новых стационарных конфигураций локализованных зон. Законченная форма стационарных линий скольжения поразительно близка к семейству овалов Кассини (см. рис.37). Приход к той или иной стационарной кинематике можно осуществить другим способом, если образец с исходной рыхлой упаковкой подвергнуть сразу большим деформациям, например, тем, которые привели материал к локализациям на рис.37. В этом случае по мере уплотнения материал будет проходить промежуточные нестационарные упаковки, которым будут соответствовать также временно неустановившиеся локализованные зоны. Сначала возникает сетка поперечных линий скольжения, затем по мере уплотнения материала эта

линии разворачиваются и удлиняются в направлении движения параллельных стенок камеры. Одновременно с выходом материала в стационарное состояние линии смыкаются и образуется снова та же структура -стационарное семейство овалов Кассини. Теперь эта структура можст «жить» уже неограниченно 37 долго. В процессе циклического

деформирования отдельные ее элементы проскальзывают друг относительно друга. Отличительной особенностью процесса является го,

что полученные линии скольжения стационарны и проскальзывание по ним может быть неограниченным.

5. Технические приложения с использованием данных о свойствах.

Полученные новые закономерности дилатирования при сдвиге использованы для уплотнения порошковых материалов. Уплотнение материала осуществляется в гибкой оболочке, которая помещается в вертикальную выемку в пакете уложенных друг на друга одинаковых по размеру пластин. Выемка по форме и размерам соответствует внешнему контуру и размерам оболочки. Устройство позволяет создавать периодические симметричные сдвиговые смещения пластин относительно друг друга. В результате периодического многократного деформирования оболочки достигается равномерная и плотная структура материала. Наибольшая плотность достигается в момент остановки контейнера в исходном положении.

Другой важной проблемой, связанной с уплотнением является уплотнение насадки в виде колец Рашига в ионообменных колоннах -реакторах. Недостаточное уплотнение приводит к истиранию колец, загрязнению продукта, появляется необходимость ее замены с разгерметизацией всей системы. Разработанное устройство для создания плотной упаковки насадки может двигаться внутри колонны за счс,1 обрезиненных роликов, распертых на внутреннюю поверхность колонны. Исполнительным органом является перекрестие пластин, которое погружается в материал и совершает знакопеременные повороты (сдвиги), уплотняющие материал. По мере уплотнения устройство поднимается с одновременной досыпкой материала. Усадка материала при уплотнении устройством составила более 10% по сравнению с традиционным ручным способом. Разработанное устройство позволило: ликвидировать ручные операции, увеличить массообмен и чистоту продукта, уменьшить время простоя на разгерметизацию системы для досыпки колец.

Переработка сыпучих материалов связана с одной из важных а к операций - дозированием. Схема

порционных весовых дозаторов включает в себя устройство подачи сыпучего материала (питатель), устройство взвешивания и схему управления работой питателя. Наиболее важным узлом в этой цепи является питатель. При разработке питателей доя хорошо сыпучих материалов рассмотрена задача о истечении слоя материала

Рис.38

во вращающейся наклонной трубе.

В цилиндр радиуса R на высоту A*R засыпан сыпучий материал (рис.38 - а). Первоначально поверхность материала горизонтальна. Расположим ось цилиндра строго горизонтально и придадим ему вращение вокруг этой оси с угловой скоростью Q (рис.38 - б). При повороте цилиндра на угол естественного откоса материала tp по свободной поверхности начнет стекать тонкий слой материала. Обозначим через Л среднюю толщину этого слоя, а через v - его скорость. Очевидно, что при таком движении поток материала вдоль оси цилиндра z будет равняться нулю.

Отклоним теперь ось цилиндра от горизонтали на угол а (рис.39), меньший угла внешнего трения материала и естественного откоса. При этих ограничениях материал будет оставаться в покое. При повороте цилиндра вокруг своей оси на угол <р начнется скатывание тонкого слоя материала. Вычисления параметров течения показывают, что касательное напряжение на нижней границе движущегося слоя, стремящееся сместить материал вдоль оси z, равно г,= pgh sin а, где р - плотность материала,

g - ускорение свободного падения, а скорость течения материала вдоль оси пропорциональна сдвигающему напряжению. Эта составляющая скорости ■ определяет

производительность устройства

(массу выданного материала в PjjC 39 единицу времени), которая

определяется выражением:

n = 2UhJk(2-k)py^-.

sin<p

Хотя сам материал обладает свойствами сухого трения, производительность питателя определяется законом вязкого трения. Это значит, что с уменьшением угла наклона а, можно добиться сколь угодно малого расхода.

Приведенный анализ содержит ряд упрощающих предположений, но верно показывает основной результат. Рассматриваются конструкции, в которых улучшаются условия стабилизации работы питателей. Это особенно актуально при точном дозировании сыпучих материалов малыми порциями, составляющими порядок от 2 до 10 г. Для этих целей разработан питатель с малой интенсивностью и повышенной стабильностью исходящего потока, на базе которого разработан порционный автоматический дозатор малых порций для хорошо текучи* материалов. Крупность дозируемых частиц от 10 до 500 мкм; величина

навески от 3 до 10 г; дискретность установки дозы 0,1 г; точность дозирования ±0,05%; время формирования максимальной дозы не более 30 с.

Рассматриваются исследования по созданию питателей и непрерывных дозаторов мелкофракционных трудносыпучих материалов. В основу подхода положены результаты о их свойствах, представленные в работе. Разработано оборудование для подачи таких материалов, в котором решены соответствующие задачи по преодолению сил сцепления. Испытания, проведенные на Саянском алюминиевом заводе при дозировании технического глинозема в электролизеры, в котором присутствовали негабаритные частицы размером до 5 мм показали стабильную работу устройства. Самоочищение от негабаритных включений осуществляется достаточно надежно.

Исследуется кинематика сыпучих материалов. С учетом результатов исследований разработан порционный смеситель периодического действия, который позволяет за короткий промежуток времени получить смесь высокого качества сухих порошковых материалов.

Разработан двухкомпонентный смеситель непрерывного действия для получения реакционной смеси при производстве искусственных алмазов, в котором два потока материалов, выходящих в нужной пропорции, непрерывно и равномерно распределяются один в другом. При смешивании используется движение частиц в поле тяжести. Смешивш"7.; здесь осуществляется за одно просыпание компонентов, в отличие от рассмотренного выше периодического процесса, в котором, за счет транспортировки материала наверх, просыпание может осуществляться несколько раз до получения требуемой однородности распределения.

Рассматриваются методики испытаний на когезионную прочность мелкофракционных материалов с выраженными силами внутреннего сцепления частиц. Материал размещается и формуется на упругой пластине, а "нагружение его осуществляется изгибом пластины. Искривление пластины приводит к образованию в образце системы параллельных трещин, расстояние между которыми определяют силы

внутреннего сцепления частиц: С=—у—, где у - удельный вес образца

2 Ь

после формования; Ь -расстояние между трещинами; Ь - толщина образца.

Рассматриваются исследования возможного использования сложного нагружения с непрерывным вращением главных осей деформации для получения слоистых композиционных заготовок методами порошковой металлургии. Эффект массопереноса при сложном нагружении позволяет получать изделия сложных конфигураций, структура которых зависит от исходного расположения компонентов. Полученным изделиям характерны свойства слоистых композиционных материалов, в которых выражена

анизотропия вдоль и поперек слоев.

При сложном нагруже/яш исследуется процесс разделения частиц разной плотности. Показана возможность использования его при обогащении полезных ископаемых, например, золотосодержащих песков. Метод разделения может быть использован для порционной обработки сырья при обогащении разведочных проб, а также старательских работах.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

На основании выполненных автором исследований осуществлено решение научной проблемы, имеющей важное значение для развития основ механики сыпучих сред и для решения широкого круга задач прикладного характера.

1. Разработаны новые способы, методики и оборудование для исследования деформационных свойств сыпучих материалов при простом сдвиге, ломающихся траекториях и непрерывном повороте главных осей деформаций.

2. Исследована дилатансия при простом сдвиге. Особое место занимают упаковки в результате циклического деформирования. Показано, что после некоторого числа циклов деформирования упаковки становятся обратимыми (стационарными), при этом дилатансия, нормальные и касательные напряжения от цикла к циклу начинают повторяться. Дилатансия стационарной упаковки характеризуется двумя основными параметрами: минимальной пористостью и вариацией пористости при сдвиге. Оба параметра зависят от амплитуды сдвига: при малых амплитудах реализуются более плотные упаковки. Свойства касательных напряжений при деформировании стационарных упаковок по некоторым программам нагружений схожи с поведением металлов в пластической стадии деформирования.

3. Для разных нагружений подтверждена основная идея работы о выборе величины относительного проскальзывания частиц в качестве основного параметра, влияющего на состояние зернистой среды: пористость, напряженное состояние, внешнее и внутреннее трение. При деформировании по траекториям, ломающимся относительно первоначального направления сдвига, исходное состояние влияет на направление главных осей деформаций.

4. Обнаружен и исследован эффект псевдоожижения сыпучей среды при непрерывном сложном нагружении. Показана возможность гравитационного разделения частиц по удельному весу в псевдоожиженной сыпучей среде. За счет сохранения трения на площадках главных напряжений порог трения полностью не исчезает. Наличие порога ограничивает глубину погружения тяжелых частиц и уменьшает глубину всплытия легких. Полное водонасыщение сыпучей среды увеличивает

скорость и глубину погружения.

5. При сложном нагружеиии за счет трансформации вертикальных смещений в горизонтальные обнаружено направленное течение материала. Материальные частицы движутся по замкнутым траекториям, но периоды их обращения различны. Проведено экспериментальное моделирование приливного деформирования Земли, которое показало, что усилия, вызванные гравитационным действием небесных тел за счет неупругой реакции Земли могут создавать остаточные смещения. Эти смещения незначительны за один цикл; при многократном пробегании приливной волны 0Ш1 могут достигать значительных величин.

6. Способность сыпучих материалов снижать сопротивление трения за счет увеличения пористости при больших относительных смещениях частиц способствует возникновению в mix процессов самоорганизации и образования устойчивых структур. Условия образования и конфигурация регулярных структур, возникающих при различных способах нагружепия зависят от пористости материала. Получены новые, в том числе временные, а также устойчивые структуры, возникающие в сухих сыпучих материалах при плоскопараллельном течении аналогичном течению Куэпа и вокруг жесткого включения. Отличительной особенностью их является то, что полученные линии скольжения стационарны и проскальзывание по ним может быть неограниченным.

7. С использованием полученных данных о свойствах разработаны устройства и показаны пути интенсификации технологических процессов и оптимальных режимов работы оборудования: эффективных устройств для усреднения и создания однородных упаковок частиц заданной пористости; экспресс методов определения когезионной прочности мелкодисперсных порошковых материалов со сцеплением; устройства гравитационного разделения частиц по удельному весу; устройств подачи легкотекучих и порошковых материалов со сцеплением; весовых дозаторов, в том числе, порционных дозаторов микродоз; порционных смесителей дискретного действия и непрерывных гравитационных смесителей, которые успешно испытаны в производственных условиях на ряде предприятий.

Основные научные результаты диссертационной работы

опубликованы в следующих работах автора:

1. Бобряков А.П., Ревуженко А.Ф. Однородный сдвиг сыпучего материала. Дилатансия. //ФТПРПИ,- 1982,- №5.

2. Бобряков А.П., Ревуженко А.Ф., Шемякин Е.И. и др. Весовой дозатор. A.c. № 1049750, Б.И. № 39, 1983.

3. Ревуженко А.Ф., Шемякин Е.И., Бобряков А.П. и др. Устройство для укладки легкоповреждаемых предметов. A.c. № 1057383, Б.И. № 44,1983.

4. Бобряков Л.П., Ревуженко А.Ф., Шемякин Е.И. Однородный сдвиг сыпучего материала. Локализация деформаций. //ФТПРГТИ,- 1983,- №5.

5. Бобряков А.П., Ревуженко А.Ф., Шемякин Е.И. О возможном механизме перемещения масс Земли. //ДАН, т.272, 1983,- №5.

6. Бобряков А.П., Ревуженко А.Ф., Минтюков П.Д. Дозатор сыпучих материалов. A.c. № 1080024, Б.И. № 10, 1984.

7. Бобряков А.П., Захаревич Э.В., Ревуженко А.Ф., Шемякин Е.И. Датчик для измерения касательных напряжений. A.c. № 1101696, Б.И. № 25, 1984.

8. Бобряков А.П., Ревуженко А.Ф., Стажевскнй С.Б. и др. Устройство для подачи легкосыпучего материала. A.c. № 1121587, Б.И. № 40, 1984.

9. Шемякин Е.И., Ревуженко А.Ф., Бобряков А.П., Захаревич Э.В. Устройство для испытания образцов сыпучих материалов. A.c. Jis 1132192, Б.И. № 48, 1984.

10. Бобряков А.П., Бочкарев Г.Р., Ревуженко А.Ф., Шемякин Е.И. Устройство для гравитационного разделения частиц. A.c. № 1167803 от 08.03.1985. Открытой публикации не подлежит.

11. Безродный В.Г., Бобряков А.П., Назаров Б.В., Пронин В.Н., Ревуженко А.Ф., Шемякин Е.И. Способ «лешиваняя сыпучих материалов и устройство для его осуществления. A.c. № 1172582, Б.И. № 30, 1985.

12. Бобров Г.Ф., Бобряков А.П., Грибанов В.Г. Способ испытания горной породы для оценки энергоемкости ее разрушения. A.c. № 1186797, Б.И. №39, 1985.

13. Резуженко А.Ф., Шемякин Е.И., Бобряков А.П. Способ смешения сыпучих материалов. A.c. № 1197713, Б.И. № 46, 1985.

14. Шемякин Е.И., Ревуженко А.Ф., Бобряков А.П. и др. Способ получения композиционных заготовок и устройство для его осуществления. A.c. № 1199452, Б.И. № 47, 1985.

15. Ревуженко А.Ф., Шемякин Е.И., Бобряков А.П. Способ уплотнения порошковых материалов. A.c. № 1202706, Б.И. № 1,1986.

16. Горохов В .А., Пронин В.Н., Левин В.Б., Куликов В.М., Бобряков А.П., Ревуженко А.Ф. A.c. № 239030 от 02.06.1986.

17. Бобряков А.П., Ревуженко А.Ф., Захаревич Э.В. Весовой дозатор. A.c. № 1270578, Б.И. № 42, 1986.

18. Бобряков А.П., Ревуженко А.Ф., Стажевскнй С.Б. и др. Устройство для разделения сыпучего материала A.c. № 1311790 от 22.01. 1987, ДСП.

19. Ревуженко А.Ф., Бобряков А.П. Устройство для испытаний сыпучих материалов. A.c. № 1308879, Б.И. № 17,1987.

20. Ревуженко А.Ф., Бобряков А.П., Крамаренко В.И. Устройство для смешивания сыпучих материалов. A.c. № 1326324, Б.И. № 28, 1987.

21. Ревуженко А.Ф., Бобряков А.П. Устройство для испытаний образцов сыпучих материалов. A.c. № 1332187, Б.И. № 31,1987.

22. Ревуженко А.Ф., Бобряков А.П., Пронин В.Н. Способ испытания на

склонность к слеживаемости сыпучих материалов. A.c. № 1352302, Б.И. № 42, 1987.

23. Бобряков А.П., Ревуженко А.Ф. Некоторые закономерности пластического деформирования сыпучих материалов. //ФТПРГТИ- 1988,-№4.

24. Бобряков А.П., Ревуженко А.Ф., Косых В.П. Устройство для дозирования легкосыпучих материалов. A.c. № 1428930 от 08.06. 1988, ДСП.

25. Ревуженко А.Ф., Бобряков А.П., Косых В.П. Способ определения когезиоиной прочности мелкодисперсных сыпучих материалов. A.c. № 1416896, Б.И.К» 30,1988.

26. Бобряков А.П., Ревуженко А.Ф., Дозатор порошкового материала. A.c. № 1434264, Б.И. № 40, 1988.

27. Бобряков А.П., Ревуженко А.Ф., Косых В.П. Датчик для измерения касательных напряжений. A.c. № 1485046, Б.И. № 21,1989.

28. Бобряков А.П., Захаревич Э.В., Ревуженко А.Ф., Стажевский С.Б. Устройство для дозирования порошковых материалов. A.c. № 1495206, Б.И. № 27, 1989.

29. Безродный В.Г., Бобряков А.П., Дворянинов В.Н., Ревуженко А.Ф., и др. Устройство для смешивания сыпучих материалов A.c. Х° 1492524 от 08.03. 1989.

30. Бобряков А.П., Косых В.П., Ревуженко А.Ф. О временных структурах в процессах деформирования сыпучей среды. //ФТПРПИ,-1990,-№2.

31. Бобряков А.П., Ревуженко А.Ф. Об одном методе испытания неупругих материалов. //Изв. АН СССР. MIT. 1990. №4.

32. Bobryakov A.P.,Kramaretiko V.l., Revuzhenko A.F., Shemyakin ЕЛ. Theoretical models of powder mixing. International Conference on Powder Metallurgy. Wembley Centre, London, U.K. v.III. The Institute of Metals, 1990.

33. Ревуженко А.Ф., Бобряков А.П. Способ исследования механических свойств порошковых материалов и устройство для его осуществления. A.c. № 1534369, Б.И. №1,1990.

34. Бобряков А.П., Косых В.П., Ревуженко А.Ф. Два метода определения когезионной прочности порошковых материалов. //Тезисы докладов V Всесоюзной конференции «Механика сыпучих материалов», Одесса, 1991.

35. Бобряков А.П., Косых В.П. Новая аппаратура для измерения напряжений в сыпучих материалах. //Тезисы докладов V Всесоюзной конференции «Механика сыпучих материалов», Одесса, 1991.

36. Бобряков А.П., Ревуженко А.Ф., Шемякин Е.И. Приливное деформирование планет: опыт экспериментального моделирования. //Геотектоника, 1991. №6.

37. Бобряков А.П., Ревуженко А.Ф. Бункер для трудносыпучего материала. A.c. № 1668220, Б.И. № 29,1991.'

38. Афиногенов Ю.А., Бобряков А.П., Жигапюш В.М., Ревуженко А.Ф., Шемякин Е.И. Устройство для поперечной прокатки. A.c. № 1669623, Б.И. №30, 1991.

39. Бобряков Л.П., Ревуженко А.Ф. Устройство для подачи порошкообразного материала. A.c. № 1699113 от 15.08. 1991, ДСП.

40. Ревуженко А.Ф., Бобряков А.П. Устройство для определения реологических свойств материала. A.c. № 1778626, Б.И. № 44,1992.

41. Бобряков А.П., Ревуженко А.Ф. Способ получения регулярной структуры в деформируемой области сплошной среды. //ПМТФ.- 1993,-№1.

42. Бобряков А.П., Ревуженко А.Ф. Две задачи обработки порошковых материалов: дозирование и уплотнение. //СФТЖ.-1993,- №5,

43. Бобряков А.П., Косых В.П., Ревуженко А.Ф. О неустойчивости геоматериалов при слабых динамических воздействиях. //Тезисы докладов Всероссийской конференции «Управление напряженно-деформированным состоянием горных пород при открытой и подземной разработке месторождений полезных ископаемых», Новосибирск - Екатеринбург, 1994.

44. Бобряков А.П., Ревуженко А.Ф. Сложное нагружение сыпучих материалов с изломами траектории. Методика п экспериментальные результаты. //ФТПРПИ,- 1994.- №5.

45. Бобряков А.П., Косых В.П., Ревуженко А.Ф. О катастрофических последствиях длительных слабых воздействий на сыпучую среду. //ФТПРПИ,- 1995 .-№1.

46. Бобряков А.П., Косых В.П., Ревуженко А.Ф. О влиянии длительных слабых воздействий на сопротивление сыпучих сред срезу. //ФТПРПИ,-1996.- №2.

47. Бобряков А.П., Ревуженко А.Ф. О псевдовязкости сыпучих сред. //ФТПРПИ.- 1996,- №3.

48. Бобряков А.П. О влиянии пористости на внутреннее трение сыпучей среды. //ФТПРПИ.- 1997,- №3.

49. Ревуженко А.Ф., Бобряков А.П., Косых В.П., О течении сыпучей среды с возможным неограниченным скольжением по поверхностям локализации. //ФТПРПИ,- 1997.- №3.

50. Ревуженко А.Ф., Косых В.П., Бобряков А.П., О локализованном пластическом течении геосреды вокруг жесткого включения. //ФТПРПИ.-

ms.-m.