Static Continuous Bulk Material Model for Inclined Bunker Section
Loading...
Date
2025
Journal Title
Journal ISSN
Volume Title
Publisher
Dnipro University of Technology
Abstract
ENG: Purpose. Obtaining an analytical pattern of pressure distribution of bulk material based on the classical Jansen’s model for an inclined outlet part of a hopper with an arbitrary cross-sectional shape. Methodology. The work used a set of research methods, including scientific analysis and synthesis of available technical information regarding the current regulatory and professional approaches to determining the pressure from bulk material in container structures. Computer modeling methods based on the numerical method of structural mechanics ‒ the finite element method ‒ were also used. Analysis of the performance of structural options was carried out using the SCAD design and computing complex (Ukraine). A separate direction in the work was design developments, which included methods for engineering assessment of the accuracy and reliability of the results obtained. Findings. An analytical expression for determining the vertical pressure of bulk material is obtained, which reflects in a closed form the regularities of its distribution for the case of a straight inclined rigid wall of the outlet part of the hopper container with an arbitrary cross-sectional shape. The pressure value of the bulk material according to this expression quantitatively exceeds the pressure value according to known analytical models. This gives grounds to believe that when loading the hopper structures, a change in the structure of the bulk material occurs, which is described in the literature as its loosening. Originality. The conducted researches allowed for the first time to establish the regularities of the pressure distribution of bulk material during static operation of a hopper structure with straight inclined walls. The obtained expression is structurally the product of two power functions, in which the exponent is the expressions that reproduce the geometry of the outlet part of the hopper structure and the material of its side walls. Practical value. The obtained expression allows to calculate the vertical and, if necessary, normal pressure of bulk material for straight inclined walls of hopper structures. It is proved that the pressure increases significantly with increasing its depth, which in the case of unloading the container should lead to the destruction of the static form of laying of bulk material. The developed model is the basis for a more detailed consideration of the characteristics of bulk material, such as the density of laying or the angle of laying.
UKR: Мета. Отримання аналітичної закономірності розподілу тиску сипучого матеріалу на основі класичної моделі Янсена для похилої випускної частини бункерної ємності з довільною формою поперечного перерізу. Методика. У роботі використовувався комплекс методів дослідження, що включає науковий аналіз і синтез наявної технічної інформації стосовно чинних у світі нормативних і фахових підходів до визначення тиску від сипучого матеріалу в ємнісних конструкціях. Також застосовувалися методи комп’ютерного моделювання на базі чисельного методу будівельної механіки – методу скінчених елементів. Аналіз роботи конструктивних варіантів проводився із використанням проєктно-обчислювального комплексу SCAD (Україна). Окремим напрямом у роботі були конструкторські розробки, що включали методи інженерної оцінки точності й достовірності отриманих результатів. Результати. Отримано аналітичний вираз для визначення вертикального тиску сипучого матеріалу, що відображає в замкненому вигляді закономірності його розподілу для випадку прямолінійної похилої жорсткої стінки випускної частини бункерної ємності з довільною формою поперечного перерізу. Величина тиску сипучого матеріалу, відповідно до цього виразу, перевищує в кількісному відношенні величину тиску за відомими аналітичними моделями. Це дає підстави вважати, що при завантаженні бункерної конструкції відбувається зміна структури сипучого матеріалу, яка описується в літературі як його розпушування. Наукова новизна. Проведені дослідження дозволили вперше встановити закономірності розподілу тиску сипучого матеріалу при статичній роботі бункерної конструкції із прямолінійними похилими стінками. Отриманий вираз структурно являє собою добуток двох ступеневих функцій, в яких показником є вирази, що відтворюють геометрію випускної частини бункерної конструкції та матеріал виготовлення його бічних стінок. Практична значимість. Отриманий вираз дозволяє розрахувати вертикальний і, за необхідності, нормальний тиск сипучого матеріалу для прямолінійних похилих стінок бункерних конструкцій. Доведене суттєве підвищення тиску у міру збільшення глибини бункера, що у випадку розвантаження ємності має призводити до руйнування статичної форми укладки сипучого матеріалу. Розроблена модель Янсена є основою для більш детального врахування характеристик сипучого матеріалу, таких як щільність укладки або кут укладки.
UKR: Мета. Отримання аналітичної закономірності розподілу тиску сипучого матеріалу на основі класичної моделі Янсена для похилої випускної частини бункерної ємності з довільною формою поперечного перерізу. Методика. У роботі використовувався комплекс методів дослідження, що включає науковий аналіз і синтез наявної технічної інформації стосовно чинних у світі нормативних і фахових підходів до визначення тиску від сипучого матеріалу в ємнісних конструкціях. Також застосовувалися методи комп’ютерного моделювання на базі чисельного методу будівельної механіки – методу скінчених елементів. Аналіз роботи конструктивних варіантів проводився із використанням проєктно-обчислювального комплексу SCAD (Україна). Окремим напрямом у роботі були конструкторські розробки, що включали методи інженерної оцінки точності й достовірності отриманих результатів. Результати. Отримано аналітичний вираз для визначення вертикального тиску сипучого матеріалу, що відображає в замкненому вигляді закономірності його розподілу для випадку прямолінійної похилої жорсткої стінки випускної частини бункерної ємності з довільною формою поперечного перерізу. Величина тиску сипучого матеріалу, відповідно до цього виразу, перевищує в кількісному відношенні величину тиску за відомими аналітичними моделями. Це дає підстави вважати, що при завантаженні бункерної конструкції відбувається зміна структури сипучого матеріалу, яка описується в літературі як його розпушування. Наукова новизна. Проведені дослідження дозволили вперше встановити закономірності розподілу тиску сипучого матеріалу при статичній роботі бункерної конструкції із прямолінійними похилими стінками. Отриманий вираз структурно являє собою добуток двох ступеневих функцій, в яких показником є вирази, що відтворюють геометрію випускної частини бункерної конструкції та матеріал виготовлення його бічних стінок. Практична значимість. Отриманий вираз дозволяє розрахувати вертикальний і, за необхідності, нормальний тиск сипучого матеріалу для прямолінійних похилих стінок бункерних конструкцій. Доведене суттєве підвищення тиску у міру збільшення глибини бункера, що у випадку розвантаження ємності має призводити до руйнування статичної форми укладки сипучого матеріалу. Розроблена модель Янсена є основою для більш детального врахування характеристик сипучого матеріалу, таких як щільність укладки або кут укладки.
Description
А. Radkevytch: ORCID 0000-0001-6325-8517; D. Bannikov: ORCID 0000-0002-9019-9679; H. Wu: ORCID 0000-0003-0857-6883; X. Cheng: ORCID 0009-0004-7648-9348
Keywords
bulk material, Jansens’s model, bunker, hopper, container, сипучий матеріал, модель Янсена, бункер, хопер, ємність, ректорат УДУНТ, КБВГ
Citation
Radkevytch А., Bannikov D., Wu H., Cheng X. Static Continuous Bulk Material Model for Inclined Bunker Section. Naukovyi Visnyk Natsionalnoho Hirnychoho Universytetu. 2025. № 1. С. 48–54. DOI: 10.33271/nvngu/2025-1/048.