随着经济高速发展,散粒体类型原料的需求量大大增加,出现了直径与荷载成倍增加的超大尺寸圆形筒仓,其力学性质受多方面因素放大而变得极其复杂,因此近年来筒仓卸粮成拱的相关事故频发。然而目前对筒仓的卸粮过程中摩擦力与速率的研究还很少,对筒仓在重力荷载下卸粮的力学行为、颗粒内摩擦力、成拱机制还不明晰,缺少可靠完善的理论体系和解决方案,造成筒仓设计存在缺陷,导致少数筒仓出现卸粮成拱问题造成经济损失甚至人员伤亡。基于这一现状,本文依托国家自然基金项目(51708182)“筒仓卸粮成拱及其对仓壁超压作用的动态演进机制研究”及河南省教育厅基础研究项目“多因素耦合作用下的仓内粮食结拱及塌陷机理研究(16B560002)”对筒仓的卸粮过程中摩擦特性与成拱机理的作用关系进行了全面深入的研究,具体研究工作由以下三个部分构成:(1)粮食之间的内摩擦角、粮食颗粒与仓壁材料摩擦系数都是决定卸粮成拱最基本的力学参数,是设计、制造粮食加工机械以及谷仓等设备技术参数的主要依据。本文采用改进的仪器测定了不同含尘量小麦的内摩擦角和小麦与不同壁材在不同速度下的摩擦系数。试验结果表明:在法向压应力为200k Pa时,小麦堆(含尘率1.63%,2.81%,3.68%,4.37%,5.13%)的内摩擦角的变化范围分别是28.77°~36.74°,31.87°~46.36°,31.28°~42.59°,30.82°~47.19°,29.86°~37.82°。在相同含尘率下,各法向压力下的小麦的内摩擦角均随着法向压力的增大而减小。在相同法向压应力下,含尘率对小麦内摩擦角的影响不显著。相同含尘率下,仓壁与小麦的摩擦系数由大到小依次为混凝土仓、木筒仓、钢筒仓。在相同法向压应力下,含尘率与仓壁摩擦系数呈线性相关。(2)根据黑龙江省兰西县某粮食购销有限公司生筒仓卸粮成拱事故中筒仓做等比例缩小卸料模型仓,通过在仓壁粘贴不同摩擦系数的砂纸模拟不同材料的筒仓。并对三种模型仓进行卸料过程动态摩擦力值进行记录,拍摄照片,观察流态。首先,将三种筒仓在卸料过程中的动态摩擦力值进行对比分析,然后计算仓壁各个测点的摩擦力数值大小,进行分析。结果表明,导致最大概率发生卸粮成拱的工况是在混凝土筒仓对小麦进行速度为20L/s的卸料过程。(3)本文针对离散元模拟中圆形颗粒的内摩擦力小于真实粮食内摩擦力的缺陷,在已有PFC离散元程序基础上,添加了黏度系数较大的微型颗粒模拟粉尘,建立了一种改进颗粒组构力学模型,采用几何方法判断圆形颗粒间的接触情况,推导出基本单元间力-位移关系。基于典型事故案例和室内试验成果,采用建立的颗粒组构力学模型模拟了卸粮成拱动态过程中圆形大颗粒间以及圆形小颗粒与仓壁之间的力-位移关系。以物理模型试验结果曲线各点值为标准值,改进后模拟结果曲线值的标准差相比改进前减小37%,说明改进后的模拟还原度更高。利用该模型研究颗粒在卸粮过程的动态细观机理,推导成拱条件。论文通过试验获得动态过程粮食颗粒内外摩擦力参数,建立起动态离散元模型,改进颗粒组构力学模型,推导出基本单元间力-位移关系,分析卸粮成拱过程细观演变机理与成拱条件,有较强的推广意义。