沙土直剪试验和土石材料铲运的离散元模拟研究

发布时间：2020-06-07 23:25

【摘要】：土壤是由矿物质、有机质、水分和气体等构成的多相体,具有非常复杂的成分构成和非线性物理力学特性。抗剪强度是土壤的主要力学特性之一,准确认知不同种类土壤的抗剪力学特性,对于提升工程建设质量、保证施工安全、提高工程机械作业效率等有着重要的意义。铲刀机构广泛配置于各种农业机械和工程机械中,它作为与工作介质直接接触的工作部件极易磨损,在很大程度上决定着工程质量。基于理论研究对铲刀结构的设计和优化进行指导,可以有效提高作业效率,降低生产成本,同时能够规避部分作业风险。本文主要研究内容和结论如下:1.利用PFC3d软件建立方形和圆柱形两种标准的剪切盒模型,并在内部生成沙土颗粒料床,在不同法向载荷下对样本进行剪切。文章将仿真所得的抗剪特性数据与实验室实验结果进行对比分析,校正输入模型参数,对土壤微观特性参数进行标定;研究发现剪切盒形状会对剪切力曲线产生影响,料床模型在剪切过程中呈现减缩现象,同时剪切速度、粒径大小和颗粒间摩擦系数等参数均会对抗剪强度产生影响。2.利用PFC3d软件建立1:9的铲刀缩小模型;以直剪试验标定的物性参数为基础,构建土壤料床模型;分析不同铲土角度、推土速度、入土深度下,铲刀工作阻力的变化规律。在三组单因素变化的仿真中,铲土角度75°、推土速度80nmm/s、入土深度60mm对应的方案中铲刀受到较大的阻力;铲刀所受阻力随入土深度的增加而增大,但并不随之发生线性变化;随着运行速度的上升,铲刀受到的阻力波动增强。3.讨论了不同铲刀曲面的大型推土铲铲运碎石的工作阻力。利用SolidWorks建立推土铲模型,并导入EDEM软件中;采用EDEM软件建立碎石混合体模型,并模拟推土铲铲运工程。文章对比了不同形状曲面的推土铲所受的前进、竖直和侧向方向上力的大小情况,分析了其变化规律;指出推土铲结构设计应依照其工作目的进行,当推土机用于铲运时,应该选取曲率半径较小的设计;当推土机用于平地时,应当选用曲率半径较大的设计。
【图文】：

直剪仪

二定律可以计算出线加速度和角加速度，通过对时间积分可以得到块体的速度和位移，逡逑同时能够求出块体的变形量；块体单元的位移方向发生变化后，会产生新的力和力矩逡逑作用与其他块体单元发生相互作用。图１－１给出了邋ＤＥＭ的计算循环，如图所示计算逡逑不断往复，，直到最后达到一种平衡状态。传统的介质力学在构建力学模型时，提出了逡逑宏观尺度上的连续性假设，而ＤＥＭ从微观层面上对岩土介质的物理性质进行了数值逡逑模拟，并通过细观参数的研宄来分析宏观力学行为。随着相关探索的深入开展，现如逡逑今ＤＥＭ理论广泛应用于岩土工程学科的科学研宄。逡逑力的边界条件逦｜力－位移关系逡逑＾１逡逑运动方程ａ＝Ｆ／ｍ逦位移边界条件逡逑图丨－１计算循环逡逑Ｆｉｇ．邋１－１邋Ｃａｌｃｕｌａｔｉｏｎ邋ｃｙｃｌｅ逡逑１．２．２邋土壋剪试验逡逑土壤直剪试验是在Ｃｏｕｌｏｍｂ理论基础上发展而来的、一种测定土壤抗剪强度的逡逑基本实验方法。它是指在某一特定面上剪切土壤试件的实验，可以直接测定该面上的逡逑剪应力和抗剪强度。根据实验过程中固结和排水情况以及剪切速率快慢，直剪试验可逡逑以分为不固结不排水剪切（快剪）、固结不排水剪切（固结快剪）、固结排水剪切（慢逡逑剪）。直剪试验的实验仪器称为直剪仪，其结构如图１－２所示，直剪仪通常分为应变逡逑式和应力式两种。逡逑然而，直剪试验方法和仪器存在不少缺陷，给准确测定土壤的力学性质带来困难。逡逑例如

技术路线图,推土铲,铲刀,工作阻力

软件建立土壤样本和直剪试验剪切盒的离散元数值模型；根据大、小将：１：壤模型进行分类，根据形状的不同将剪切盒分为圆柱形剪切盒与方同等条件下进行土壤直剪仿真实验并进行对比研究；同时将仿真结果与对比分析，调整模拟的关键参数使抗剪强度与实验结果接近，确定模拟颗粒的微观参数。逡逑本部分系统地分析了影响铲刀工作阻力的若干因素；采用ＰＦＣ３ｄ建立和小型铲刀模型，模拟铲刀挖掘和铲运的动力学过程；根据铲土角度、土速度的不同对工况进行分类，根据阻力结果分析三种因素对工作效率本部分研宄了截面尺寸对推土铲工作阻力的影响；采用ＳｏｌｉｄＷｏｒｋｓ软推土铲大型铲刀模型，对推土铲进行多种结构设计；利用ＥＤＥＭ软件体模型，将推土铲模型导入ＥＤＥＭ软件，模拟推土机铲运的工作过程Ｚ三个方向上推土铲模型所受到的阻力，根据数据评估不同结构推土。逡逑宄的技术路线如图１－３所示：逡逑
【学位授予单位】：北京林业大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2017
【分类号】：S222.51

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