贲宗友博士答辩公告

答辩委员会：

主席：

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秘书：

论文简介：

    谷朊粉是从小麦面粉中提取得到的天然植物性蛋白，蛋白质含量达80%以上，营养丰富，广泛应用于食品工业、饲料工业、医药等领域。致密化成型是在特定温度、湿度和机械力下，将干燥碎粉原料软化、变形和位置重排，最后压制成固定形状的过程，是粉状物料便捷运输、储藏的有效手段之一。谷朊粉的本征参数（密度、粒度、剪切模量、泊松比等）和接触参数（碰撞反弹系数、静摩擦系数、滑动摩擦系数）对其致密化成型过程及成型颗粒的品质影响显著。构建谷朊粉颗粒成型本构模型、标定谷朊粉及其成型颗粒的离散元参数，是谷朊粉及成型颗粒物性研究的重要基础，对降低颗粒成型过程的能耗、为成型设备设计提供必要的基础参数具有重要意义。

    为了弥补谷朊粉致密化成型和成型颗粒特性研究基础参数不足的问题，本研究在谷朊粉致密化成型工艺研究的基础上，构建了颗粒成型本构模型和应力松弛模型，进一步采用离散元法对谷朊粉致密成型离散元参数进行了标定；并探究了谷朊粉成型颗粒离散元参数的快速标定方法；同时研究了谷朊粉成型颗粒的力学特性，并对粘结参数进行了标定研究。

论文的主要研究工作及研究结果如下：

（1）谷朊粉致密成型工艺研究及本构模型构建

    通过单因素试验和Box-Behnken响应面试验，开展谷朊粉单模孔致密化成型试验，评估了含水率、挤压速度、挤压载荷、恒定时间对成型率、膨胀比、比能耗的影响效果，并探究了最优工艺参数组合，在此基础上，构建了谷朊粉致密化成型和应力松弛阶段的本构模型。结果表明，含水率、挤压速度、挤压载荷对谷朊粉成型过程影响显著；构建了评价指标与因素之间的预测模型，得到最优工艺参数组合为：含水率为7.441%，压缩速度为0.146 mm·s^-1，压缩载荷为1.75 kN，试验验证发现预测值与试验值相对误差小于2.866%；在最优工艺参数的基础上，探究谷朊粉颗粒成型本构模型，在致密化成型阶段，构建了弹黏塑性本构模型，分三段非线性拟合，拟合效果较好（R²>0.998），模型预测应力值与试验值最大差值为4.046 MPa，相对误差均小于3.428%，模型精确度较高；在应力松弛阶段，五元件广义Maxwell应力松弛模型更能预测谷朊粉的应力松弛行为（R²>0.997）。

（2）谷朊粉致密成型离散元参数标定方法研究

    使用试验和仿真相结合的方法，测定了谷朊粉的含水率、密度、粒度和休止角，并标定了泊松比、剪切模量、碰撞反弹系数、静摩擦系数和滑动摩擦系数，构建并验证了离散元参数和休止角之间的关系模型。结果表明，谷朊粉的含水率为5.33%，密度为1314.20 kg·m^-3，中位径D(50)为170 μm，休止角为41.51°；泊松比为0.30，剪切模量为3.55×10⁷Pa，碰撞恢复系数（P-S）为0.35，静摩擦系数（P-S）为0.60，滚动摩擦系数（P-S）为0.45，碰撞反弹系数（P-P）为0.45，滚动摩擦系数（P-P）为1.038、静摩擦系数（P-P）为0.071、表面能（P-P）为0.047J·m^-2；滚动摩擦系数（P-P）、静摩擦系数（P-P）和表面能（P-P）均对休止角有显著影响（P<0.05），且与休止角的二次关系模型（R²=0.992）得到的仿真预测值与试验值的相对误差为仅为0.52%。

（3）谷朊粉颗粒离散元参数与含水率关系模型构建

    通过试验方法测定了谷朊粉颗粒离散元仿真所需的本征参数（密度、粒度、剪切模量、泊松比）和接触参数（碰撞反弹系数、静摩擦系数、滑动摩擦系数），研究了上述参数与含水率之间的关系；分别构建了休止角和离散元参数与含水率之间的关系模型，推导并验证了含水率-离散元参数模型。结果表明，谷朊粉颗粒的平均直径为4.31 mm，颗粒体积在50～250 mm³范围内，且遵循正态分布；本征参数和接触参数随含水率变化显著（P<0.05）；构建的休止角-含水率二次关系模型极显著（R²=0.946）；静摩擦系数（P-P）和滚动摩擦系数（P-P）对休止角影响极显著（P<0.01），构建了休止角-离散元参数二次关系模型（R²=0.970）；推导得到的含水率-离散元参数模型休止角仿真值与试验值之间的相对误差小于2.58%。

（4）谷朊粉颗粒压缩特性及粘结参数标定

    通过谷朊粉颗粒挤压试验和粘结参数标定，探究了颗粒的含水率和长径比对力学特性的影响，并标定了颗粒的粘结参数（单位面积法向刚度X₁、单位面积切向刚度X₂、临界法向应力X₃、临界剪切应力X₄和粘结半径X₅）。研究结果表明，不同长径比和含水率的颗粒在轴向和径向压缩下的弹性模量差异显著（P<0.05），且径向值明显大于轴向值，谷朊粉颗粒呈现出各向异性；长径比对谷朊粉颗粒的抗压强度没有显著影响；在制造、包装和运输过程中，谷朊粉颗粒的弹性模量、抗压强度和破坏能应分别小于340.65 MPa、6.25 MPa和64.77 mJ；单位面积法向刚度X₁、单位面积切向刚度X₂、临界剪切应力X₄和粘结半径X₅显著影响断裂位移和断裂力；断裂位移、断裂力与影响显著参数之间的回归模型的决定系数R²分别为0.978和0.939，最优参数组合为X₁=1.988×10¹⁰N·m^-3；X₂=1.931×10¹⁰N·m^-3；X₄=6.010×10⁶Pa；X₅=0.381 mm。

主要创新点如下：

（1）提出一种基于应变硬化弹簧、阻尼器和库仑摩擦元件并联的弹粘塑性本构模型，通过分段非线性拟合及试验验证，实现对谷朊粉致密化成型的准确描述。

（2）通过试验和仿真方法构建谷朊粉颗粒休止角-含水率模型、休止角-离散元参数模型，推导得出谷朊粉颗粒含水率-离散元参数模型，实现不同含水率颗粒离散元参数的快速标定。

（3）通过试验和离散元仿真相结合的方法，实现对谷朊粉致密成型离散元参数和谷朊粉颗粒粘结参数的精确标定，为谷朊粉等粉体材料的致密成型技术和颗粒断裂特性研究奠定了重要的理论和实践基础。