Перспективні напрями розвитку механіки сипучого середовища
Вступ. На сьогодні в галузі механіки сипучого середовища існує серйозна ключова проблема, яка полягає у відсутності єдиної теоретичної концепції розгляду поведінки сипучого середовища в різних практичних умовах. Це суттєво гальмує подальший розвиток зазначеної галузі, адже окремі теоретичні моделі с...
Gespeichert in:
| Veröffentlicht in: | Наука та інновації |
|---|---|
| Datum: | 2020 |
| Hauptverfasser: | , |
| Format: | Artikel |
| Sprache: | Ukrainisch |
| Veröffentlicht: |
Видавничий дім "Академперіодика" НАН України
2020
|
| Schlagworte: | |
| Online Zugang: | https://nasplib.isofts.kiev.ua/handle/123456789/184833 |
| Tags: |
Tag hinzufügen
Keine Tags, Fügen Sie den ersten Tag hinzu!
|
| Назва журналу: | Digital Library of Periodicals of National Academy of Sciences of Ukraine |
| Zitieren: | Перспективні напрями розвитку механіки сипучого середовища / В.Д. Банніков О.Л. Тютькін // Наука та інновації. — 2020. — Т. 16, № 2. — С. 45-54. — Бібліогр.: 17 назв. — укр. |
Institution
Digital Library of Periodicals of National Academy of Sciences of Ukraine| _version_ | 1860247618127396864 |
|---|---|
| author | Банніков, Д.О. Тютькін, О.Л. |
| author_facet | Банніков, Д.О. Тютькін, О.Л. |
| citation_txt | Перспективні напрями розвитку механіки сипучого середовища / В.Д. Банніков О.Л. Тютькін // Наука та інновації. — 2020. — Т. 16, № 2. — С. 45-54. — Бібліогр.: 17 назв. — укр. |
| collection | DSpace DC |
| container_title | Наука та інновації |
| description | Вступ. На сьогодні в галузі механіки сипучого середовища існує серйозна ключова проблема, яка полягає у відсутності єдиної теоретичної концепції розгляду поведінки сипучого середовища в різних практичних умовах. Це суттєво гальмує подальший розвиток зазначеної галузі, адже окремі теоретичні моделі сипучого матеріалу, яких налічується біля 30, практично не узгоджені між собою.
Проблематика. На практиці окреслена проблема призводить до численних випадків відмов та аварій будівельних конструкцій різних типів, що є наслідком помилок при визначенні навантажень від сипучої речовини.
Мета. Визначення та формулювання основних сучасних напрямів подальшого розвитку механіки сипучого середовища, як окремого розділу механіки ґрунтів у складі геотехнічної механіки. Розробка цих напрямів є рішенням до подолання проблеми створення єдиної теоретичної моделі сипучої речовини.
Матеріали й методи. Систематизація та узагальнення накопиченого масиву інформації щодо механіки сипучого середовища та розробка на основі цього єдиного підходу до опису його поведінки є основним методом досягнення сформульованої мети.
Результати. Основними передумовами формування концепції сипучого середовища є проведення досліджень в трьох напрямках: визначення властивостей сипучих матеріалів; визначення коефіцієнту передачі тиску; побудова моделі укладки.
Висновки. Базовою концепцією побудови єдиної теоретичної моделі сипучого середовища повинен бути дискретно-континуальний підхід. При цьому всі властивості сипучого середовища визначаються, виходячи з його дискретної природи, а рівняння статичної рівноваги та динамічного руху сипучого середовища формуються, розглядаючи його як однорідне континуальне середовище в межах певного об’єму. Також статична поведінка сипучого середовища має аналізуватися як частковий випадок його динамічної поведінки, а не як окрема самостійна задача зі своїми власними параметрами.
Introduction. At present, in the field of loose medium mechanics there is a rather serious key problem, the absence of a universal theoretical concept for considering the behavior of the loose medium under different practical conditions. Such situation significantly impedes the further development of this industry, since theoretical models of bulk material, which now have been counted about 30, practically conflict with each other.
Problem Statement. In practice, such problem leads to numerous cases of failures of structures of various types, as a result of errors in determining the loads from the bulk material.
Purpose. Identification and formulation of the main directions of the further development of loose medium mechanics as a separate section of soil mechanics in the composition of geotechnical mechanics. The development of these directions is a solution for overcoming the problem of creating a unified theoretical model of loose medium.
Materials and Methods. The systematization and the synthesis of the accumulated information on loose medium mechanics and the development of a universal approach to describing its behavior is the main method to achieve the formulated purpose.
Results. Researching in three directions is the main prerequisite for the formation of the concept of loose medium. These directions are the determination of the properties of loose materials; the determination of the pressure ratio; and the development of a model for packing grains of loose material.
Conclusions. The discrete-continuum approach shall be basic concept for developing the unified theoretical model of loose medium. At the same time, all properties of loose medium are determined on the basis of its discrete nature; the equations of static equilibrium and the dynamic motion of the loose medium are formed considering it as a homogeneous continuum within a certain volume. Also, the static behavior of loose medium shall be analyzed as a partial case of its dynamic behavior rather than as an individual task with its own parameters.
|
| first_indexed | 2025-12-07T18:38:45Z |
| format | Article |
| fulltext |
45
НАУКОВІ ОСНОВи
ІННОВАЦІйНОЇ дІяльНОСТІ
https://doi.org/10.15407/scin16.02.045
Д.О. БаннІкОВ, О.Л. тЮтькІн
Дніпровський національний університет залізничного транспорту
імені академіка В. Лазаряна,
вул. Лазаряна, 2, Дніпро, 49010, Україна,
+380 63 400 4307, +380 66 290 4518, bdo2020@yahoo.com
ПЕРсПЕКТИВНІ НАПРЯМИ РОЗВИТКу
МЕХАНІКИ сИПуЧОГО сЕРЕДОВИЩА
цитування: Банніков Д.о., Тютькін о.Л. Перспективні напрями розвитку механіки сипучого сере-
довища. Nauka innov. 2020. Т. 16, № 2. с. 45—54. https://doi.org/10.15407/scin16.02.045
Вступ. На сьогодні в галузі механіки сипучого середовища існує серйозна ключова проблема, яка полягає
у відсутності єдиної теоретичної концепції розгляду поведінки сипучого середовища в різних практичних
умовах. Це суттєво гальмує подальший розвиток зазначеної галузі, адже окремі теоретичні моделі сипу
чого матеріалу, яких налічується біля 30, практично не узгоджені між собою.
Проблематика. На практиці окреслена проблема призводить до численних випадків відмов та аварій
будівельних конструкцій різних типів, що є наслідком помилок при визначенні навантажень від сипучої
речовини.
Мета. Визначення та формулювання основних сучасних напрямів подальшого розвитку механіки си
пучого середовища, як окремого розділу механіки ґрунтів у складі геотехнічної механіки. Розробка цих
напрямів є рішенням до подолання проблеми створення єдиної теоретичної моделі сипучої речовини.
Матеріали й методи. Систематизація та узагальнення накопиченого масиву інформації щодо ме
ханіки сипучого середовища та розробка на основі цього єдиного підходу до опису його поведінки є ос
новним методом досягнення сформульованої мети.
Результати. Основними передумовами формування концепції сипучого середовища є проведення до
сліджень в трьох напрямках: визначення властивостей сипучих матеріалів; визначення коефіцієнту пе
редачі тиску; побудова моделі укладки.
Висновки. Базовою концепцією побудови єдиної теоретичної моделі сипучого середовища повинен
бути дискретноконтинуальний підхід. При цьому всі властивості сипучого середовища визначаються,
виходячи з його дискретної природи, а рівняння статичної рівноваги та динамічного руху сипучого сере
довища формуються, розглядаючи його як однорідне континуальне середовище в межах певного об’єму.
Також статична поведінка сипучого середовища має аналізуватися як частковий випадок його динаміч
ної поведінки, а не як окрема самостійна задача зі своїми власними параметрами.
К л ю ч о в і с л о в а: сипуче середовище, сипучий матеріал, геотехнічна механіка, дискретноконтинуаль
на модель.
сипуче середовище займає особливе місце серед інших видів середовищ, які вивчає
механіка як окрема фундаментальна наука. Воно не належить ані до твердих тіл, ані
до рідин (газів). саме тому дослідженням особливостей сипучого середовища зай-
ISSN 1815-2066. Nauka innov. 2020. 16(2)
Д.О. Банніков, О.Л. тютькін
46 ISSN 1815-2066. Nauka innov. 2020. 16 (2)
мається окремий напрям механіки ґрунтів у
складі геотехнічної механіки — механіка сипу-
чого середовища.
зародження цієї науки пов’язують із робо-
тами М. Бюлле кінця XVii ст. за минулі,
більш, ніж 300, років кількість проведених тео-
ретичних та експериментальних досліджень,
що сформували теоретичні засади механіки
сипучого середовища, обчислюється сотнями
тисяч. Простий перелік тільки прізвищ авто-
рів цих досліджень міг б зайняти, принаймні,
окремий енциклопедичний том. Проте, чи то
завдяки особливостям сипучого середовища,
чи то особливостям існуючих методів дослі-
джень, значна кількість виконаних досліджень
не можуть дати відповіді на ключові питання,
а отримані результати та прогнозні моделі від-
верто суперечать одна іншій, як у якісному
співвідношенні, так і кількісно.
Багатьма сучасними дослідниками визна-
но той факт, що на сьогодні відсутня єдина
фізична модель сипучого середовища, що, в
свою чергу, суттєво ускладнює проектування
різноманітних машинобудівних та будівель-
них конструкцій, які транспортують, переван-
тажують та зберігають сипучу речовину — кон-
веєри, жолоби, транспортери, бункери тощо. В
практиці це призводить до численних випад-
ків відмов і аварій такий конструкцій, як, на-
приклад, силосів для зберігання сільськогос-
подарської продукції та зерна або бункерів
для зберігання та накопичення рудного агло-
мерату та вугілля (рис. 1, 2). Причому, відпо-
відно до зібраних авторами статистичних да-
них, приблизно біля 50 % аварій та відмов кон-
струкцій такого типу так чи інакше пов’язана з
помилками при визначенні навантажень від
сипучої речовини.
У вітчизняних нормах ДБН В.2.2-8-98 [1],
що є, фактично, тотожним перекладом поперед-
ніх норм сНиП 2.10.05-85, використовуються
дві теоретичні моделі для опису статичної ро-
боти сипучої речовини в ємнісних будівель-
них конструкціях — ш. кулона та Г.а. янсена.
Перша — це адаптована до ґрунтових масивів
гідростатична модель ньютонівської рідини, і
га луззю застосування її є проектування неви-
соких ємностей для сипучих матеріалів (бунке-
рів). Друга — це вдосконалена за рахунок по-
правочних коефіцієнтів «чиста» модель Г.а. ян-
сена, яку використовують для проектуван-
ня ви соких ємностей для сипучих матеріалів
(силосів).
В національному стандарті ДсТУ-Н Б En
1991-4:2012 [2], який є перекладеними та адап-
тованими європейськими норми Eurucode En
1991-4:2006, базовою теоретичною моделлю є
модель Г.а. янсена. Проте її доповнено систе-
мою спеціальних виразів, як для статичних
місцевих тисків в різних ділянках замкненої
ємнісної конструкції, так і для динамічних про-
цесів руху сипучого матеріалу залежно від конст-
руктивного рішення самої споруди.
співставлення цих нормативних докумен-
тів виконано в низці сучасних робіт (див., на-
приклад, [3]), з яких випливає, що тиск сипу-
чого матеріалу, за європейськими нормами,
виявляється приблизно вдвічі вищим за ана-
логічний тиск, визначений відповідно до віт-
чизняних норм. І це, не зважаючи на те, що у
вітчизняних нормах присутні спеціальні по-
правочні коефіцієнти до розрахункових вира-
зів, величина яких для деяких частин буді-
вельних споруд сягає 2,0.
сучасна вітчизняна фахова література з пи-
тань механіки сипучого середовища в основ-
Рис. 1. аварія сталевого силосу для зберігання зерна
Перспективні напрями розвитку механіки сипучого середовища
ISSN 1815-2066. Nauka innov. 2020. 16 (2) 47
ному має оглядовий характер [4, 5] — в робо-
тах наведено основні моделі для різних видів
та випадків застосування сипучих матеріалів.
особливо цікавою при цьому є спеціалізована
фахова література [6—8], в якій фактично, уза-
гальнюється майже весь вітчизняний досвід в
окремих напрямках виробництва.
сучасна закордонна література з проблема-
тики сипучого середовища зосереджена пере-
важно на проблемах коректного моделювання
сипучого матеріалу та врахування їх власти-
востей, здебільшого засобами наявних комп’ю-
терних методів [9, 10]. Інша частина публіка-
цій присвячена описам особливостей роботи
сипучих матеріалів в різноманітних умовах,
часто нестандартних [11]. На увагу заслуговує
також довідкова література [12—14], яка уза-
гальнює накопичений закордонний практич-
ний досвід.
Таким чином, вище наведений огляд бібліо-
графічних джерел, дозволяє констатувати, що
основною проблемою на сьогодні, як вже за-
значалося, є суттєва кількість розроблених та
запропонованих теоретичних моделей сипучо-
го середовища. за авторськими підрахунками
їх налічується близько 30, причому офіційно
визнаними (тобто такими, які включено до нор-
мативних документів різних країн) є не більше 5.
Всі наявні моделі сипучого середовища було
згруповано в три основні різновиди — конти-
нуальні, дискретні та дискретно-континуальні
[15]. Проте на практиці подібне розмаїття мо-
делей не тільки не покращує ситуацію, а й при-
зводить до складнощів в проектуванні різних
видів конструкцій та до серйозних аварій під
час їх експлуатації [16].
одним з можливих шляхів виходу із зазна-
ченої ситуації вбачається систематизація та
узагальнення всього накопиченого масиву ін-
формації щодо механіки сипучого середовища
та розробку на цій основі єдиного підходу до
опису його поведінки. В свою чергу, вирішен-
ня окресленої проблеми можливо лише посту-
пово, базуючись на вирішенні більш дрібних
завдань, кожне з яких обмежується низкою фак-
торів, що суттєво перешкоджають його розв’я-
занню. Тому метою роботи є виокремлення за-
значених завдань, розв’язання яких в сукупнос-
ті призведе до подолання проблеми створення
єдиної теоретичної моделі сипучої речовини, а
також до виявлення обмежуючих факторів в
кожному випадку. Такі окремі в роботі названо
напрямами досліджень, а їх аналіз супрово -
д жується відповідними авторськими напра-
цюваннями і поглядами.
Існуюча механіка сипучого середовища фак-
тично є сукупністю окремих теоретичних та
практичних задач. кожна з них є відносно са-
мостійною, розглядається та вирішується, ви-
ходячи з власних передумов, та має власні тео-
ретичні уявлення про сипучу речовину, що реа-
Рис. 2. Пошкодження сталевих бункерів для зберігання
рудного агломерату: а — розриви ребер жорсткості; б —
руйнування футерівки
б
а
Д.О. Банніков, О.Л. тютькін
48 ISSN 1815-2066. Nauka innov. 2020. 16 (2)
ДИНАМІЧНА ЗАДАЧА
Ти
ск
н
а
пі
дп
ір
ну
с
ті
нк
у
Ти
ск
н
а
за
ну
ре
не
т
іл
о
М
іц
ні
ст
ь
ос
но
в
Ст
ій
кі
ст
ь
ві
дк
ос
ів
Ст
ій
кі
ст
ь
ск
ле
пі
нь
Ти
ск
в
є
мн
ос
тя
х
Тр
ан
сп
ор
ту
ва
нн
я
СТАТИЧНА ЗАДАЧА
ТИСК ВЕРТИКАЛЬНИЙ
ВИМУШЕНЕСАМОСТІЙНЕТИСК ПІД КУТОМ
Теоретичні дослідження
Практичні дослідження
ТИСК ГОРИЗОНТАЛЬНИЙ
СТІКАННЯ
ВЕРТИКАЛЬНЕ ПІД КУТОМ ГОРИЗОНТАЛЬНЕТИСК МІСЦЕВИЙ
лізується у використанні власних теоретичних
моделей, які часто суперечать між собою.
авторську класифікацію основних подібних
задач наведено на рис. 3. На схемі в горизон-
тальних прямокутниках показано теоретичні
задачі, а у вертикальних — практичні, що ви-
рішуються на їх основі. Лінії, що з’єднують
прямокутники, означають використання від-
повідних результатів інших задач.
В свою чергу, кожна подібна задача може
бути поділена на окремі підзадачі, які пов’язані
із врахуванням/неврахуванням симетрії, фор-
ми обмежуючих поверхонь (за їх наявності),
зернового складу сипучої речовини (наприк лад,
дрібнозернистий/крупнозернистий).
Таким чином, механіку сипучої речовини мож-
на умовно розділити на окремі «підмеханіки» із
власними аксіоматичними припу щеннями та
відповідними факторами, що враховуються.
На думку автора, такий підхід є принципово
та концептуально помилковим. Всі окремі роз-
різнені задачі повинні зводитися до однієї тео-
ретичної моделі сипучого середовища та бути
лише частковими випадками, коли певні пара-
метри перетворюються на нуль або на нескін-
ченність. основними напрямками, що сприя-
тимуть подібному подальшому розвитку меха-
ніки сипучого середовища є наступні.
1. Визначення властивостей сипучих мате
ріалів. окресленому питанню сьогодні приді-
лено досить значну кількість уваги. Проте ба-
гато в чому воно залишається нерозкритим і
навіть суттєво заплутаним.
справа в тому, що піонери-дослідники сипу-
чої речовини, наприклад ще в першій полови-
ні хх ст. професор І.П. Прокоф’єв, як характе-
ристики опису властивостей сипучої речовини,
виділяли всього три показники: густину, кут
природнього відкісу і кут внутрішнього тертя.
станом на сьогодні ситуація значно усклад-
нилася. У вітчизняних нормах [1] наведено вже
п’ять характеристик — окрім зазначених вище
трьох, додатково враховують кут зовнішнього
тертя об матеріал ємності, в якій знаходиться
Рис. 3. основні сучасні задачі механіки сипучого середовища
Перспективні напрями розвитку механіки сипучого середовища
ISSN 1815-2066. Nauka innov. 2020. 16 (2) 49
сипуча речовина, а також модуль деформації
стиску сипучої речовини.
В закордонних нормах [2] властивості сипу-
чої речовини описано, окрім зазначених п’яти
характеристик, ще трьома: питома вага в під-
вішеному стані, коефіцієнт Пуассона й коефі-
цієнт зчеплення. Таким чином, загальна кіль-
кість характеристик складає вісім.
сучасні дослідники, як вітчизняні [4, 5], так
і закордоні [9—11], зазначають, що такої кіль-
кості характеристик недостатньо і за їх допо-
могою неможливо коректно описати поведінку
сипучої речовини в подальшому та побудува-
ти її теоретичну модель. Для цього необхідно
що найменше 20 різних характеристик, серед
яких фігурують характеристики, що описують
розмір зерен сипучого матеріалу, як наприк-
лад, середній діаметр групи зерен сипучого ма-
теріалу, а також його еквівалентні варіації —
середній гармонійний діаметр, середній діаметр
за Лашингером, середній діаметр за Мюллером,
середній діаметр за андреазеном, середній діа-
метр форми, середній діаметр суміші. харак-
теристики, що враховують структурну побудо-
ву сипучого матеріалу, також описуються чис-
ленними параметрами — кут укладки зерен
матеріалу, кут насипання матеріалу, кут обва-
лення матеріалу, пористість, об’єм пор, коефі-
цієнт густини укладки.
окрім того, для кожної характеристики на-
водять і різні, як правило, новітні методи її
кількісного визначення. При цьому досить част о
потрібно, щоб окремі характеристики сипучо-
го середовища вже були відомі (наприклад, гус-
тина або кут внутрішнього тертя), а інші, до-
даткові, визначають на їх основі. Тобто вони
не є незалежними в повному розумінні та, від-
повідно, похибки при визначенні перших ха-
рактеристик викривляють значення цих по-
хідних характеристик.
До того ж, навіть, методи визначення «кла-
сичних» характеристик сипучої речовини, на
кшталт густини, різняться між собою. Так, на-
приклад, визначення насипної густини може
виконуватись п’ятьма різними способами — зва-
жування у псевдозрідженому шарі, гідроста-
тичне зважування, газова пікнометрія, метод фі-
зичного маятника та метод секційного ротору.
окремої уваги заслуговує така характерис-
тика сипучої речовини, як зчеплення між її ок-
ремим зернами. стосовно цього параметру до-
сить часто виникає просто підміна понять, яка
призводить на практиці до побудови абсолют-
но нереалістичних моделей.
Так, багатьма фахівцями прийнято, що си-
пучий матеріал в його класичному розумінні
позбавлений будь-якого зчеплення між окре-
мими зернами. Між ними виникають лише зу-
силля стиску та тертя. Проте при певному фі-
зичному впливі (наприклад, обтиску) або під-
вищенню вмісту рідини в матеріалі (наприк лад,
за рахунок природньої абсорбції з атмосфери)
між окремими зернами виникають зв’язки, що
породжують сили розтягу. При певному наван-
таженні такі зв’язки руйнуються і зерна відок-
ремлюються одне від іншого. Такі процеси маю ть
місце у ґрунтах, наприклад глинистих. Проте,
побудовані для цього випадку закономірності
нерідко розповсюджуються на інші види мате-
ріалів, наприклад, ті ж подрібнені скельні ґрун-
ти, які навіть у зволоженому стані мають на-
стільки низькі характеристики зчеплення, що
ними просто можна нехтувати.
саме тому механіка сипучих середовищ має
чітко розрізняти ці дві категорії речовин — які
мають зчеплення, та без нього. На думку авто-
ра, саме у другому випадку й може бути вико-
ристано термін «сипучий матеріал».
На наш погляд, таке розмаїття сучасних ха-
рактеристик сипучого середовища обумовлено
зерновою структурою сипучої речовини, яка
складається з окремих частинок різного (фак-
тично, довільного) геометричного розміру та
фор ми, завдяки яким між часточками утворю-
ються пустоти. Для математичного опису такої
структури авторами запропоновано викорис-
тати методи фрактальної геометрії. Безумовно,
це призводить до певних математичних склад-
нощів, проте дозволяє в аналітичному вигляді
подати всі структурні особливості речовини,
Д.О. Банніков, О.Л. тютькін
50 ISSN 1815-2066. Nauka innov. 2020. 16 (2)
скоротивши таким чином кількість їх характе-
ристик. одним з можливих фракталів для цьо-
го випадку може бути адаптований фрактал
чебишева для тривимірної задачі.
з іншого боку, аналітичне представлення
структурованості сипучої речовини дозволяє
перейти до її моделювання за допомогою од-
ного з чисельних методів будівельної механі-
ки — методу скінчених елементів. При цьому,
параметри спеціального скінченого елементу
мають задаватися не традиційним шляхом, за
рахунок усереднених характеристик сипучого
середовища, а за допомогою аналітичних фрак-
тальних виразів. Дослідження в цьому нап рям-
ку сьогодні активно проводяться авторами.
2. Визначення коефіцієнту передачі (тиску).
це питання є одним з базових для подальшої
побудови будь-якої теоретичної моделі сипу-
чої речовини. Традиційно розглядається кое-
фіцієнт бокового тиску К. його ключова роль
у багатьох моделях сипучої речовини полягає
в пов’язуванні між собою вертикального тиску
в матеріалі на певній глибині із горизонталь-
ним тиском.
Для рідин зазначений коефіцієнт дорівнює
1, що означає однакову передачу тиску у всіх
напрямках. Для сипучих матеріалів значення
цього коефіцієнта декларуються нормами [1, 2]
і становить менше 1, що означає передачу тис-
ку зі зменшенням. Проте окремі автори вказу-
ють на те, що коефіцієнт бокового тиску може
приймати значення й більше 1 (!), хоча відно-
сять вони цей випадок до ґрунтів, які було під-
дано попередньому стисканню (наприклад, за
рахунок шару криги під час льодовикового пе-
ріоду). Для сипучого матеріалу, особливо у
насипному стані, такі дані відсутні.
Таким чином, для сипучої речовини питан-
ня щодо визначення коефіцієнту бокового тис-
ку залишається відкритим й досі. В усіх офі-
ційно визнаних моделях сипучої речовини [1, 2]
коефіцієнт бокового тиску визначається за ви-
разом, отриманим В. ренкіним для випадку рів-
новаги сипучого клину у необмеженому масиві.
згодом було запропоновано низку інших ви-
разів для визначення зазначеного коефіцієнту,
найбільш відомі з яких наведено в табл. 1. В цій
таблиці також подано кількісні значення, які
може приймати цей коефіцієнт залежно від ос-
новної, як вважається, визначальної фі зико-
механічної характеристики сипучої речови-
ни — кута внутрішнього тертя y.
слід зауважити, що всі наведені вирази було
отримано при розгляді сипучої речовини як
континуального масиву, тобто без урахування
геометрії та структури сипучої речовини, а та-
кож до уваги практично не приймається взає-
модія сипучого матеріалу із елементами по-
верхні, на яку визначається її тиск. зокрема,
без уваги залишається тертя зерен матеріалу
об стінки або утворення вздовж поверхні, так
званого, поверхневого шару товщиною в де-
кілька зерен, встановленого автором під час екс-
периментальних досліджень. зазначений шар
має специфічну структуру, яка відрізняється
від структури основної маси сипучого матеріа-
лу та мало залежить від кута нахилу поверхні
контакту (рис. 4).
окремим аспектом розглянутого напряму
досліджень є визначення коефіцієнту боково-
го тиску не для вертикальної поверхні, а для
поверхні, нахиленої під довільним кутом до
вертикалі. При цьому сама назва коефіцієнту
вже стає не коректною та має бути зміненою
на іншу, наприклад, коефіцієнт передачі тиску.
Таблиця 1. Визначення коефіцієнту
бічного тиску сипучої речовини
автор формули Формула
значення
коефіцієнту K
при y
15° 25° 35°
В. ренкін К = 0,59 0,41 0,27
М. Жакі К =1 — siny 0,74 0,58 0,43
Дж. Біарез К = 0,77 0,64 0,52
Г.І. Покровський К =1 — 0,74 tany 0,80 0,66 0,48
Л.В. Гячев К = 0,61 0,53 0,47
1 — siny
1 + siny
1,5
2 — 1,75 tany
1 — siny
cosy
Перспективні напрями розвитку механіки сипучого середовища
ISSN 1815-2066. Nauka innov. 2020. 16 (2) 51
Рис. 4. Поверхневий шар сипучого матеріалу при куті
нахилу бічної поверхні 50° (а) і 65° (б)
спроба вирішити цю задачу була виконана
ще на початку хх ст. професором І.П. Про ко-
ф’євим. Ним було отримано рішення для ста-
ну граничної рівноваги сипучого матеріалу з
якого випливало, що коефіцієнт бокового тис-
ку збільшується зі збільшенням відхилення по-
верхні, на яку відбувається тиск, від вертикалі.
сучасні вітчизняні дослідники [1] не роз-
глядають цього питання, вважаючи передачу
тиску на нахилену поверхню в сипучому мате-
ріалі аналогічною для твердого тіла. закордон-
ні фахівці [2] супроводжують аналогічний під-
хід спеціальним поправочним коефіцієнтом,
ви значеними переважно результатами експе-
риментальних досліджень.
3. Побудова моделі укладки зерен сипучої ре
човини. Наступним базовим аспектом дослі-
д ження сипучої речовини є розробка моделі
ук ладки її зерен, яка б була максимально ві ро-
гідною та експериментально підтвердженою.
серед припущень, які мають враховуватися
при розробці цієї моделі, наведено такі:
окремі зерна намагаються зайняти якомога
найнижче положення під дією власної маси;
найбільш щільним є випадок укладання, ко-
ли відстані між центрами суміжних зерен є
найкоротшими;
під час руху сипучого матеріалу вищезазна-під час руху сипучого матеріалу вищезазна-
чені припущення зберігаються.
Врахування цих факторів було виконано в
ході теоретико-експериментальних досліджень
та детально викладено в монографії [15]. Про-
те використана там модель укладки зерен си-
пучої речовини є досить простою — прийнято
зерна однакової геометричної форми та укла-
дання їх геометрично рівними рядами по три
шари (рис. 5), що, очевидно, є спрощенням.
Верхній ряд утворюється зернами А, В і С, ниж-
ній ряд — зернами D, E і F. Проміжний шар
(крайні зерна позначено цифрами) розташову-
ється між зазначеними шарами, так, щоб зер на
крайніх шарів займали найнижче можливе по-
ложення.
якщо у випадку плоскої стінки, на яку си-
пучий матеріал чинить певний тиск, модель ук-
ладки є відносно зрозумілою, то у випадку не-
гладкої стінки питання суттєво ускладнюєть-
ся. Фактично, дані щодо характеру розподілу
зерен сипучого матеріалу для поверхонь різних
б
а
Рис. 5. рівномірна просторова укладка зерен сипучої ре-
човини: АС — зерна верхнього шару; DF — зерна ниж-
нього шару; 1—3 — зерна бокового шару
1
2
3
B
A
(D)
(E)
С
(F)
Д.О. Банніков, О.Л. тютькін
52 ISSN 1815-2066. Nauka innov. 2020. 16 (2)
геометричних форм на тепер відсутні. Проте в
практиці останнім часом досить часто застосо-
вують ємнісні споруди із різноманітними гоф-
рованими стінками. Вочевидь, використання
традиційних моделей для цього випадку є од-
нозначно помилковим та потребує спеціаль-
них досліджень на зразок тих, які розпочаті
авторами [17].
Традиційно в теорії сипучої речовини ста-
тична та динамічна поведінка сипучого мате-
ріалу розглядаються як дві різні задачі. Пояс-
нення такому підходу у деяких авторів полягає
у складності процесів руху сипучого та «непе-
редбачуваності» цього явища.
Між тим, механіка як фундаментальна нау-
ка розглядає відсутність руху будь-якого об’єк-
ту, тобто статичну задачу, як лише частковий
випадок динамічної задачі. а вся «непередба-
чуваність» у випаду сипучої речовини зводи-
ться до виникнення низки специфічних дина-
мічних ефектів, на зразок місцевих підвище-
них тисків або пульсацій при русі.
На думку авторів, передумовами такої ситу-
ації є саме відсутність визначеності стосовно
трьох попередніх питань (напрямів), розгля-
нутих вище. це призводить до відсутності на
сьогодні єдиного теоретичного підходу до опи-
су поведінки сипучого середовища, причому
навіть загальна концепція такого підходу є до-
сить розмитою й неузгодженою.
з усіх існуючих та наведених концепцій
найбільш універсальною є дискретно-конти-
нуальний підхід. При цьому всі властивості
си пучого середовища визначають, виходячи з
його дискретної природи на основі експери-
ментально визначених моделей укладки для
різних практичних випадків. На підставі цьо-
го, за допомогою математичного апарату, мо-
же бути визначено коефіцієнт бічного тиску
(можливо, навіть, декілька значень для різних
практичних випадків). Безпосередньо ж рів-
няння статичної рівноваги та динамічного ру-
ху сипучого середовища формують, розгляда-
ючи його як однорідне континуальне середо-
вище в межах певного об’єму.
результатом такого підходу може бути отри-
мання не одного, а декількох практичних рі-
шень для різних вихідних передумов, як на-
приклад показано в роботі [15].
аналізуючи все вищевикладене, можна уза-
гальнити основні напрями сучасного розвитку
механіки сипучого середовища та проведення
подальших досліджень.
1. На сьогодні відсутня єдина концепція
розробки теоретичної моделі сипучого середо-
вища, а всі наявні моделі мають суперечливий
характер, є вузькоспеціальними та не відпові-
дають експериментальним даним й практич-
ним ситуаціям.
2. Базовою концепцією побудови теоретич-
ної моделі сипучого середовища має бути диск-
ретно-континуальний підхід. При цьому всі
властивості сипучого середовища визначають-
ся виходячи з його дискретної природи, а рів-
няння статичної рівноваги та динамічного ру ху
сипучого середовища формуються, розгляда-
ючи його як однорідне континуальне середо-
вище в межах певного об’єму.
3. основними передумовами формування кон-
цепції сипучого середовища є проведення до-
сліджень в трьох напрямах:
визначення властивостей сипучих матеріалів;
визначення коефіцієнту передачи тиску;
побудова моделі укладки зерен сипучої ре-побудова моделі укладки зерен сипучої ре-
човини.
4. На основі концептуального розв’язання
цих трьох проблемних питань надалі з’яв ля-
ються можливості для більш детального до-
слідження окремих часткових задач і вивчен-
ня фізико-механічних процесів в самому сипу-
чому середовищі. До таких задач, в першу чер гу,
слід віднести дилатансію, контрактансію, ут во -
рення полос локалізації деформації, сег ре га цію,
стратифікацію, скупчення, утворення скле пінь,
утворення поверхневого шару, фільтрацій ний
витік сипучого матеріалу з отворів, тощо.
Перспективні напрями розвитку механіки сипучого середовища
ISSN 1815-2066. Nauka innov. 2020. 16 (2) 53
сПисок ЛІТераТУри
1. ДБН В.2.2-8-98. Підприємства, будівлі і споруди по зберіганню та переробці зерна. київ, 1998. 41 с.
2. ДсТУ-Н Б En 1991-4:2012. єврокод 1. Дії на конструкції. частина 4. Бункери і резервуари. київ, 2012.
168 с.
3. Бібік М.В., Мороз П.с. Визначення горизонтального навантаження на вертикальні стіни ємнісних конструкцій за
різними нормами. Збірник наукових праць ПолтНТУ (галузеве машинобудування, будівництво). 2014. Вип. 1(40).
с. 166—174.
4. Ляпцев с., афанасьев а., чиркова а. резонансные вибротранспортные машины для сыпучих материалов. lap
lambert academic publishing, 2014. 196 c.
5. Вобликов е.М. Технология элеваторной промышленности. санкт-Петербург, 2010. 384 с.
6. Винокуров к.В., Никоноров с.Н. Элеваторы, склады, зерносушилки. саратов, 2008. 88 с.
7. Горюшинский и.В., кононов и.и., Денисов В.В., Горюшинская е.В., Петрушкин Н.В. емкости для сыпучих
грузов в транспортно-грузовых системах. Под общ. ред. и.В. Горюшинского. самара, 2003. 232 с.
8. семенов В.Ф. Бункеры и хранилища зерна. Барнаул, 1999. 222 с.
9. Franklin s.V., shattuck M.D. (Eds.). handbook of Granular Materials. CrC press, 2015. 522 p. doi.org/10.1201/
b19291.
10. sakellariou M. (Ed.). Granular Materials. intech, 2017. doi.org/10.5772/66007.
11. Cambou B., Magoaeriec h., nguyen n.-s. Granular Materials at Meso-scale. Elsevier ltD, 2016. 164 p. doi.org/10.1016/
c2015-0-01312-0.
12. EsDEp WG: Vol. 15: structural systems. Bins: lecture 15C.2. 34 p.
13. Edwin h., Gaylord Jr., Charles n. Gaylord, James E. stallmeyer (Eds.). structural Engineering handbook. McGraw-
hill, 1997. 624 p.
14. Fruchtbaum Ja. Bulk Materials handling handbook. spingerlink, 1988. 488 p. doi.org/10.1007/978-1-4757-4695-2.
15. Банніков Д.о. сипучий матеріал в ємнісній конструкції. Дніпропетровськ, 2009. 172 с.
16. качуренко В.В., Банников Д.о. конструктивные решения стальных емкостей для сыпучих материалов. Днепро-
петровск, 2016. 168 с.
17. качуренко В.В., Банніков Д.о. особливості моделювання тиску сипучого матеріалу на гофровані сталеві елементи.
Збірник наукових праць «Ресурсоекономні матеріали, конструкції, будівлі та споруди». 2014. Вип. 28. с. 367—376.
Стаття надійшла до редакції / Received 11.12.18
Статтю прорецензовано / Revised 04.04.19
Статтю підписано до друку / Accepted 07.05.19
Bannikov, D.O. and Tiutkin, O.L.
lazaryan Dnipro national university
of railway transport
2, lazaryan st., Dnipro, 49010, ukraine,
+380 63 400 4307, +380 66 290 4518, bdo2020@yahoo.com
prospECtinG DirECtions oF thE DEVElopMEnt
oF loosE MEDiuM MEChaniCs
Introduction. at present, in the field of loose medium mechanics there is a rather serious key problem, the absence of a
universal theoretical concept for considering the behavior of the loose medium under different practical conditions. such
situation significantly impedes the further development of this industry, since theoretical models of bulk material, which
now have been counted about 30, practically conflict with each other.
Problem Statement. in practice, such problem leads to numerous cases of failures of structures of various types, as a
result of errors in determining the loads from the bulk material.
Purpose. identification and formulation of the main directions of the further development of loose medium mechanics as
a separate section of soil mechanics in the composition of geotechnical mechanics. the development of these directions is a
solution for overcoming the problem of creating a unified theoretical model of loose medium.
Д.О. Банніков, О.Л. тютькін
54 ISSN 1815-2066. Nauka innov. 2020. 16 (2)
Materials and Methods. the systematization and the synthesis of the accumulated information on loose medium
mechanics and the development of a universal approach to describing its behavior is the main method to achieve the
formulated purpose.
Results. researching in three directions is the main prerequisite for the formation of the concept of loose medium.
these directions are the determination of the properties of loose materials; the determination of the pressure ratio; and the
development of a model for packing grains of loose material.
Conclusions. the discrete-continuum approach shall be basic concept for developing the unified theoretical model of loose
medium. at the same time, all properties of loose medium are determined on the basis of its discrete nature; the equations
of static equilibrium and the dynamic motion of the loose medium are formed considering it as a homogeneous continuum
within a certain volume. also, the static behavior of loose medium shall be analyzed as a partial case of its dynamic behavior
rather than as an individual task with its own parameters.
Keywords : loose medium, bulk material, geotechnical mechanics, and discrete-continuum model.
|
| id | nasplib_isofts_kiev_ua-123456789-184833 |
| institution | Digital Library of Periodicals of National Academy of Sciences of Ukraine |
| issn | 1815-2066 |
| language | Ukrainian |
| last_indexed | 2025-12-07T18:38:45Z |
| publishDate | 2020 |
| publisher | Видавничий дім "Академперіодика" НАН України |
| record_format | dspace |
| spelling | Банніков, Д.О. Тютькін, О.Л. 2022-07-20T11:24:55Z 2022-07-20T11:24:55Z 2020 Перспективні напрями розвитку механіки сипучого середовища / В.Д. Банніков О.Л. Тютькін // Наука та інновації. — 2020. — Т. 16, № 2. — С. 45-54. — Бібліогр.: 17 назв. — укр. 1815-2066 DOI: doi.org/10.15407/scin16.02.045 https://nasplib.isofts.kiev.ua/handle/123456789/184833 Вступ. На сьогодні в галузі механіки сипучого середовища існує серйозна ключова проблема, яка полягає у відсутності єдиної теоретичної концепції розгляду поведінки сипучого середовища в різних практичних умовах. Це суттєво гальмує подальший розвиток зазначеної галузі, адже окремі теоретичні моделі сипучого матеріалу, яких налічується біля 30, практично не узгоджені між собою.
 Проблематика. На практиці окреслена проблема призводить до численних випадків відмов та аварій будівельних конструкцій різних типів, що є наслідком помилок при визначенні навантажень від сипучої речовини.
 Мета. Визначення та формулювання основних сучасних напрямів подальшого розвитку механіки сипучого середовища, як окремого розділу механіки ґрунтів у складі геотехнічної механіки. Розробка цих напрямів є рішенням до подолання проблеми створення єдиної теоретичної моделі сипучої речовини.
 Матеріали й методи. Систематизація та узагальнення накопиченого масиву інформації щодо механіки сипучого середовища та розробка на основі цього єдиного підходу до опису його поведінки є основним методом досягнення сформульованої мети.
 Результати. Основними передумовами формування концепції сипучого середовища є проведення досліджень в трьох напрямках: визначення властивостей сипучих матеріалів; визначення коефіцієнту передачі тиску; побудова моделі укладки.
 Висновки. Базовою концепцією побудови єдиної теоретичної моделі сипучого середовища повинен бути дискретно-континуальний підхід. При цьому всі властивості сипучого середовища визначаються, виходячи з його дискретної природи, а рівняння статичної рівноваги та динамічного руху сипучого середовища формуються, розглядаючи його як однорідне континуальне середовище в межах певного об’єму. Також статична поведінка сипучого середовища має аналізуватися як частковий випадок його динамічної поведінки, а не як окрема самостійна задача зі своїми власними параметрами. Introduction. At present, in the field of loose medium mechanics there is a rather serious key problem, the absence of a universal theoretical concept for considering the behavior of the loose medium under different practical conditions. Such situation significantly impedes the further development of this industry, since theoretical models of bulk material, which now have been counted about 30, practically conflict with each other.
 Problem Statement. In practice, such problem leads to numerous cases of failures of structures of various types, as a result of errors in determining the loads from the bulk material.
 Purpose. Identification and formulation of the main directions of the further development of loose medium mechanics as a separate section of soil mechanics in the composition of geotechnical mechanics. The development of these directions is a solution for overcoming the problem of creating a unified theoretical model of loose medium.
 Materials and Methods. The systematization and the synthesis of the accumulated information on loose medium mechanics and the development of a universal approach to describing its behavior is the main method to achieve the formulated purpose.
 Results. Researching in three directions is the main prerequisite for the formation of the concept of loose medium. These directions are the determination of the properties of loose materials; the determination of the pressure ratio; and the development of a model for packing grains of loose material.
 Conclusions. The discrete-continuum approach shall be basic concept for developing the unified theoretical model of loose medium. At the same time, all properties of loose medium are determined on the basis of its discrete nature; the equations of static equilibrium and the dynamic motion of the loose medium are formed considering it as a homogeneous continuum within a certain volume. Also, the static behavior of loose medium shall be analyzed as a partial case of its dynamic behavior rather than as an individual task with its own parameters. uk Видавничий дім "Академперіодика" НАН України Наука та інновації Наукові основи інноваційної діяльності Перспективні напрями розвитку механіки сипучого середовища Prospecting Directions of the Development of Loose Medium Mechanics Article published earlier |
| spellingShingle | Перспективні напрями розвитку механіки сипучого середовища Банніков, Д.О. Тютькін, О.Л. Наукові основи інноваційної діяльності |
| title | Перспективні напрями розвитку механіки сипучого середовища |
| title_alt | Prospecting Directions of the Development of Loose Medium Mechanics |
| title_full | Перспективні напрями розвитку механіки сипучого середовища |
| title_fullStr | Перспективні напрями розвитку механіки сипучого середовища |
| title_full_unstemmed | Перспективні напрями розвитку механіки сипучого середовища |
| title_short | Перспективні напрями розвитку механіки сипучого середовища |
| title_sort | перспективні напрями розвитку механіки сипучого середовища |
| topic | Наукові основи інноваційної діяльності |
| topic_facet | Наукові основи інноваційної діяльності |
| url | https://nasplib.isofts.kiev.ua/handle/123456789/184833 |
| work_keys_str_mv | AT banníkovdo perspektivnínaprâmirozvitkumehaníkisipučogoseredoviŝa AT tûtʹkínol perspektivnínaprâmirozvitkumehaníkisipučogoseredoviŝa AT banníkovdo prospectingdirectionsofthedevelopmentofloosemediummechanics AT tûtʹkínol prospectingdirectionsofthedevelopmentofloosemediummechanics |