基于多球组合颗粒模型的筒仓卸粮宏细观机理模拟
发布时间：2021-01-04 02:03
筒仓在许多工业中广泛用于散装物料的装卸。粮食颗粒是典型的散体材料,以离散元数值模拟为主要手段建立粮食颗粒的宏-细观桥梁,探究散体粮食颗粒在筒仓中的细观动力学特征,是量化研究仓内粮食颗粒运动特性的主要方法。但是目前应用较为广泛的单一圆形颗粒简化模型既不能准确反映粮食颗粒的非规则形状,更难以精确模拟筒仓卸粮过程中的散体宏细观动态力学机理。因此,建立更符合颗粒真实形状的离散元模型,对于揭示粮食颗粒在卸料散体动力特征细观机理,具有重要的理论和现实意义。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”,利用离散元软件建立多球组合颗粒模型,并进行室内卸粮物理模型试验,验证模拟模型的准确性;并基于该模型,针对筒仓卸粮过程中流动特性和成拱塌陷现象等细宏观动力学机理进行详细的量化研究。主要研究内容及结论如下:1.本文通过EDEM离散元软件建立仿真模拟筒仓模型,采用多球组合颗粒模型拟合椭球型小麦颗粒,详细阐述了离散元软件中颗粒的接触检测算法和三维颗粒的接触力计算,多球颗粒的独特接触力运算方式,以及颗粒基于牛顿第二定律的运动方程和颗粒力学行为和运动特征的更新方...
【文章来源】：河南工业大学河南省
【文章页数】：87 页
【学位级别】：硕士
【部分图文】：
多球组合颗粒模型接触情况
2多球组合颗粒模型14（注：I为颗粒的惯性矩，F为颗粒体所受的合力）。在运算的每个微小时段，细观动力学参数都在发生改变。以颗粒A为例，力在一个微小时段的更新为)t(F)t(F)tt(Fnnn(14)(t)ΔF(t)FΔt)(tFttt(15)速度在一个微小时段的更新为ΔtF(t)vΔt)(tvmaa(16)ΔtM(t)wΔt)(twIaa(17)颗粒位置与旋转角度在一个微小时段的更新为Δt)2t(tv(t)rΔt)(traaa(18)Δt)2Δt(tv(t)θΔt)(tθaaa(19)2.2数值模拟模型建立2.2.1筒仓数值模拟模型本文首先采用3Dmax软件绘制三维筒仓模型，再将所绘制的筒仓模型导入离散元软件，运用建立的筒仓模型进行卸粮数值模拟试验。筒仓模型由一个方形仓体和一个半角为60°梯形漏斗组成。筒仓模型如图6所示。图6筒仓卸粮数值分析模型Fig.6Numericalsimulationmodelofsilodischarge
河南工业大学硕士学位论文152.2.2多球模型建立圆颗粒由于具有接触简单，运算消耗小，可以基本模拟散体物料力学行为等优点，而在散体颗粒的离散元模拟中广为应用。但是颗粒的形状对于颗粒的物理力学性质和动态力学行为都有影响，因此本文建立一个多球组合的颗粒簇模型以求改进模拟效果。本文提出多球组合颗粒模型建立模拟不规则粮食颗粒,多球组合颗粒模型表示以多个刚性小球相互叠合成一个整体来模拟除圆球外其它形状的颗粒。已知小麦颗粒形状近似于不规则的椭球体，选用三球颗粒组合模型以交叉组合的方式拟合小麦颗粒，可以很好地模拟椭球的轮廓，长短轴比和颗粒圆度。针对本文研究不规则粮食颗粒（小麦）的形态，拟合形状如图7所示。图7拟合小麦颗粒形状的多球组合颗粒模型Fig.7Multi-sphereparticlemodelforfittinggrainshapeofwheat2.2.3参数设定参照文献[59]中的测量方法，可以确定有机板壁与颗粒之间的摩擦系数在0.3-0.6之间，颗粒的内摩擦系数在0.2-0.5之间。根据参考文献[11]中的测量方法对小麦的杨氏模量和泊松比进行了测量，并通过三轴试验的应力曲线最终确定小麦-小麦摩擦系数为0.3，小麦与仓壁摩擦系数为0.4。参考IstvánOldal等提出的试验方法对恢复系数进行了精确测量和应用[56]。所确定的模拟参数在表1中列出。表1模拟中物理参数及其数值Table1Physicalparametersandvaluesinsimulation参数Parameter数值Value颗粒Particle颗粒密度ρ/kg·m-3Particledensityρ/kg·m-31460颗粒黏聚系数βParticlecohesioncoefficientβ0.05杨氏模量Ep/PaYoung"smodulusEp/Pa1e9泊松比vRPoisson"sratiovR0.25
【参考文献】：
期刊论文
[1]高径比不同的双侧壁卸料筒仓卸料压力对比研究[J]. 原方,姜学佳,张健,庞照昆. 河南工业大学学报(自然科学版). 2019(03)
[2]成拱工况下仓壁超压弹性波动态模拟分析[J]. 冯永,原子然,张盼盼,谢飞亚,李晓一,李萌. 中国粉体技术. 2018(06)
[3]数字化测绘技术在建筑工程测量中的应用[J]. 卢征. 河南科技. 2018(17)
[4]不同仓径中心卸料超压试验研究[J]. 刘海林,原方,徐志军,杜乾. 河南科技. 2018(23)
[5]筒仓侧壁与中心卸料的两种不同卸料方式的动态超压研究[J]. 庞照昆,原方,李丙涛,曹晓玉. 河南科技. 2018(22)
[6]双侧壁卸料筒仓动态压力及流态的数值模拟研究[J]. 姜学佳,原方,张健,庞照昆. 河南科技. 2018(14)
[7]筒仓侧压力系数对比分析及修正研究[J]. 蒋锐,薛晨曦,段君峰. 混凝土与水泥制品. 2018(04)
[8]贮料粒径对筒仓卸料流态及仓壁压力影响的细观机理研究[J]. 王世豪,肖昭然,刘克瑾. 河南工业大学学报(自然科学版). 2017(06)
[9]筒仓仓壁摩擦对仓壁侧压力影响的研究[J]. 张昭,刘克瑾,肖昭然,王世豪. 河南工业大学学报(自然科学版). 2017(05)
[10]小麦PFC模型细观参数标定方法的验证与分析[J]. 揣君,王录民,许启铿,刘永超,蒋敏敏. 中国粉体技术. 2017(04)
博士论文
[1]颗粒破碎与形状对颗粒材料力学性质影响的离散元研究[D]. 周伦伦.武汉大学 2017
本文编号：2955926
【文章来源】：河南工业大学河南省
【文章页数】：87 页
【学位级别】：硕士
【部分图文】：
多球组合颗粒模型接触情况
2多球组合颗粒模型14（注：I为颗粒的惯性矩，F为颗粒体所受的合力）。在运算的每个微小时段，细观动力学参数都在发生改变。以颗粒A为例，力在一个微小时段的更新为)t(F)t(F)tt(Fnnn(14)(t)ΔF(t)FΔt)(tFttt(15)速度在一个微小时段的更新为ΔtF(t)vΔt)(tvmaa(16)ΔtM(t)wΔt)(twIaa(17)颗粒位置与旋转角度在一个微小时段的更新为Δt)2t(tv(t)rΔt)(traaa(18)Δt)2Δt(tv(t)θΔt)(tθaaa(19)2.2数值模拟模型建立2.2.1筒仓数值模拟模型本文首先采用3Dmax软件绘制三维筒仓模型，再将所绘制的筒仓模型导入离散元软件，运用建立的筒仓模型进行卸粮数值模拟试验。筒仓模型由一个方形仓体和一个半角为60°梯形漏斗组成。筒仓模型如图6所示。图6筒仓卸粮数值分析模型Fig.6Numericalsimulationmodelofsilodischarge
河南工业大学硕士学位论文152.2.2多球模型建立圆颗粒由于具有接触简单，运算消耗小，可以基本模拟散体物料力学行为等优点，而在散体颗粒的离散元模拟中广为应用。但是颗粒的形状对于颗粒的物理力学性质和动态力学行为都有影响，因此本文建立一个多球组合的颗粒簇模型以求改进模拟效果。本文提出多球组合颗粒模型建立模拟不规则粮食颗粒,多球组合颗粒模型表示以多个刚性小球相互叠合成一个整体来模拟除圆球外其它形状的颗粒。已知小麦颗粒形状近似于不规则的椭球体，选用三球颗粒组合模型以交叉组合的方式拟合小麦颗粒，可以很好地模拟椭球的轮廓，长短轴比和颗粒圆度。针对本文研究不规则粮食颗粒（小麦）的形态，拟合形状如图7所示。图7拟合小麦颗粒形状的多球组合颗粒模型Fig.7Multi-sphereparticlemodelforfittinggrainshapeofwheat2.2.3参数设定参照文献[59]中的测量方法，可以确定有机板壁与颗粒之间的摩擦系数在0.3-0.6之间，颗粒的内摩擦系数在0.2-0.5之间。根据参考文献[11]中的测量方法对小麦的杨氏模量和泊松比进行了测量，并通过三轴试验的应力曲线最终确定小麦-小麦摩擦系数为0.3，小麦与仓壁摩擦系数为0.4。参考IstvánOldal等提出的试验方法对恢复系数进行了精确测量和应用[56]。所确定的模拟参数在表1中列出。表1模拟中物理参数及其数值Table1Physicalparametersandvaluesinsimulation参数Parameter数值Value颗粒Particle颗粒密度ρ/kg·m-3Particledensityρ/kg·m-31460颗粒黏聚系数βParticlecohesioncoefficientβ0.05杨氏模量Ep/PaYoung"smodulusEp/Pa1e9泊松比vRPoisson"sratiovR0.25
【参考文献】：
期刊论文
[1]高径比不同的双侧壁卸料筒仓卸料压力对比研究[J]. 原方,姜学佳,张健,庞照昆. 河南工业大学学报(自然科学版). 2019(03)
[2]成拱工况下仓壁超压弹性波动态模拟分析[J]. 冯永,原子然,张盼盼,谢飞亚,李晓一,李萌. 中国粉体技术. 2018(06)
[3]数字化测绘技术在建筑工程测量中的应用[J]. 卢征. 河南科技. 2018(17)
[4]不同仓径中心卸料超压试验研究[J]. 刘海林,原方,徐志军,杜乾. 河南科技. 2018(23)
[5]筒仓侧壁与中心卸料的两种不同卸料方式的动态超压研究[J]. 庞照昆,原方,李丙涛,曹晓玉. 河南科技. 2018(22)
[6]双侧壁卸料筒仓动态压力及流态的数值模拟研究[J]. 姜学佳,原方,张健,庞照昆. 河南科技. 2018(14)
[7]筒仓侧压力系数对比分析及修正研究[J]. 蒋锐,薛晨曦,段君峰. 混凝土与水泥制品. 2018(04)
[8]贮料粒径对筒仓卸料流态及仓壁压力影响的细观机理研究[J]. 王世豪,肖昭然,刘克瑾. 河南工业大学学报(自然科学版). 2017(06)
[9]筒仓仓壁摩擦对仓壁侧压力影响的研究[J]. 张昭,刘克瑾,肖昭然,王世豪. 河南工业大学学报(自然科学版). 2017(05)
[10]小麦PFC模型细观参数标定方法的验证与分析[J]. 揣君,王录民,许启铿,刘永超,蒋敏敏. 中国粉体技术. 2017(04)
博士论文
[1]颗粒破碎与形状对颗粒材料力学性质影响的离散元研究[D]. 周伦伦.武汉大学 2017
本文编号：2955926
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