离散元法及其在铲斗设计中的应用.pdf

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1、杠械试验-研究TestandReasearch第45卷I第4期总第486期离散元法及其在铲斗设计中的应用*侯亚娟’，王吉生，李爱峰，李婧锡’1．吉林大学；2．太原重工股份有限公司摘要l介绍离散元法的基本理论及研究现状，阐述离散元法在铲斗设计中的应用现状和最新进展，并结合课题组的研究成果，将离散元法用于矿用挖掘机铲斗分析。通过采用EDEM软件，建立待挖掘物料的仿真颗粒模型，对矿用挖掘机铲斗的对数螺旋轨迹进行合理的简化，对其以不同岩石为挖掘对象时的挖掘过程进行离散元仿真，获取铲斗与物料的接触力情况以及物料

2、在铲斗内的填充信息，实现挖掘物料的可视化。该方法可为不同物料下铲斗的优化设计提供一种具有良好发展前景的途径。关键词：离散元法；铲斗；仿真；优化设计铲斗是挖掘机、装载机等土方机械的最前端部件，用在模拟颗粒一结构相：互作用问题方面非常适用，在铲斗设来切削、装运物料，在工作过程中会受到剧烈的冲击和磨计领域也得到了一定的应用咖。损。铲斗的设计是否合理，对整机的可靠性和工作效率有很大影响。1离散元法的基本理论及其研究现状铲斗属于连续体，物料为非连续体，因此单单依靠传离散元法把离散系统看作具有一定形状和质量的离统

3、的针对连续体的有限元分析并不能满足铲斗设计分析散单元的集合，并根据其几何特征分为颗粒和结构体两的需要。铲斗铲装物料的过程涉及较复杂的颗粒一结构相个分系统，每个颗粒或结构体为一个单元，在运用离散元互作用的问题，该问题又涉及土壤力学、散体力学等方面法进行数值模拟时，需对每个单元建模并进行模拟。颗粒的研究，物料形态多种多样，环境变化复杂，系统试验和与颗粒、颗粒与结构体之间存在接触与脱离、相对运动、建模都比较困难。接触力与能量的联系，离散元法通过循环计算的方式，跟离散元法(DEM，DiscreteElemen

4、tMethod)是求解与踪颗粒单元的运动，然后利用颗粒之间、颗粒与结构体之分析复杂离散系统的运动规律与力学特性的一种新型数间碰撞产生的能量交换，来求解与分析颗粒一结构相互作值方法。该方法可以有效地描述非连续介质的散体运动，用的离散系统的运动规律与力学特性。基金项目：国家高技术研究发展计划(“863”计划)项目(2012AA062001)作者简介：侯亚娟(198·卜一)，女，河北任丘人，硕士，研究方向：现代设计理论及方法、离散元仿真分析研究。一lj霏缸拭f23试验·研究TestandReasearch由

5、于各单元直接通过接触产生能量交换，故建立的对于不同的仿真对象，需要选用不同的接触模型。常接触模型恰当与否将对研究结果产生重要影响；另外，颗用的接触模型i21及其适用场合如下：粒间的接触碰撞又与颗粒的形状密切相关。因此，本文主(1)Hertz—Mindlin无滑动接触模型。这种模型是要对接触模型和颗粒模型相关研究成果进行概述。EDEM软件中默认的颗粒接触模型，适用于常规颗粒的1．1接触模型接触作用。接触模型是离散元法的基础，可以描述任意形状的(2)Hertz-Mindlin黏结接触模型。当需要考虑散体单

6、元之间的接触，并且可以表述相互接触的颗粒或结构物料的黏结性或冻结性时，可以应用此模型。该模型适用体单元的几何和物理特征。其实质就是准静态下颗粒于药粉等粉体颗粒和农作物、矿石、泥土等含湿物料的接固体的接触力学弹塑性分析模型，通过接触模型的分析触，这些颗粒间会因静电力、含湿水分等原因发生明显黏与计算，可直接得到颗粒所受的力和力矩的大小。结和团聚。根据接触方式的不同，在离散元法中有硬颗粒接触(3)线性黏附接触模型。这种模型是通过在和软颗粒接触两种：Hertz-Mindlin接触模型上添加法向结合力来实现的，

7、没(1)在硬颗粒接触模型中，忽略颗粒表面变形细节，有附加的切向力。该模型适用于一般性黏结颗粒的快速认为颗粒之间的碰撞是瞬时完成的，碰后速度由接触过计算，亦可用于含湿物料。程中力对时间的积分得出，碰撞过程中能量的耗散采用(4)运动表面接触模型。该模型用来模拟几何部件的恢复系数予以表达。该模型主要应用于快速运动、低浓度线性运动，例如传送带等具有表面滑移速度的结构体。颗粒系统的数值模拟。(5)线弹性接触模型。弹簧刚度和阻尼系数是该模型(2)在软颗粒接触模型(软球模型)中，允许颗粒碰撞的主要参数，与Hertz

8、-Mindlin接触模型相比，该模型计持续一定的时间，并且在接触点处允许出现重叠，同时可算步骤少，适用于常规颗粒的快速计算及定性分析。以考虑多个颗粒的碰撞，计算时不考虑颗粒表面变形和(6)摩擦电荷接触模型。当两个不同材料的颗粒相互接触力加载历史，根据颗粒间法向重叠量和切向位移计接触时，就产生了摩擦电荷。当模型只受静电影响时，将算接触力，计算强度大小。该种接触模型可以吸纳众多的其与可以进行力计算的模型结合使用。接触情况，适于工程问题的数值计算，因此得到了广