混凝土搅拌车搅拌筒磨损数值分析

混凝土运输过程中搅拌筒的磨损一直是一种常见潜在危害,磨损严重时会导致叶片失效,对搅拌的质量和出料匀质性产生影响。通过实验获取搅拌筒内部的磨损费时费力,因此有必要采取一种数值分析方法对搅拌筒的磨损进行预测并提出改进。本文采用摩擦磨损实验的方法来标定颗粒与搅拌筒之间的Archard磨损常数,采用JKR接触模型表征混凝土的流动性能,采用离散元方法(DEM)对搅拌筒筒体及叶片磨损进行预测分析。通过法向接触能量与切向接触能量的对比,证明搅拌筒中的磨损主要为伴有冲击作用的磨粒磨损,搅拌车搅拌筒中搅拌叶片顶部的磨损较为严重。针对磨损比较严重的叶片顶部进行改进,采用T型耐磨结构等改进叶片结构,叶片顶部结构改进后搅拌筒使用寿命能得到明显提升。     

滚筒干燥器中颗粒混合运动的三维数值模拟

滚筒干燥器中的颗粒混合运动是关系干燥效率的重要因素.为了研究滚筒干燥器中颗粒的混合特性,基于力学原理,采用离散元方法直接跟踪滚筒中的每一个颗粒.建立了三维数值实验平台,对滚筒中颗粒碰撞、摩擦的混合运动全过程进行了数值模拟,并着重探讨了滚筒转速、抄板半径及抄板数目等关键参数对滚筒中颗粒混合特性的影响.结果表明:随着转速的增加,颗粒混合均匀的速度加快;滚筒内壁抄板半径和数目对颗粒的混合特性也有重要影响;并发现了近壁区域颗粒的混合均匀程度比内部区域好.     

微波烧结陶瓷热均匀性的三维模拟研究

利用有限元软件COMSOLMultiphysics,考虑了温度和孔隙率敏感的电磁学、热力学和力学的材料性质,基于烧结的连续介质力学建立了耦合电磁-热-力的多物理场、单模微波腔内烧结陶瓷材料的三维模型,实现了整个微波烧结过程的数值模拟,并与实验数据进行了对比,验证了有限元模型的合理性。通过该模拟研究了在烧结过程中材料内的电场、温度和致密化的分布和变化。结果表明,在高介电损耗材料基座作用下,低损耗材料迅速升温,来自微波的电能转换成热量,并观察到显著的介电耦合现象。微波烧结陶瓷材料的结果显示出了加热行为对电磁场分布、材料的介电性能、热力学性能和温度分布的复杂依赖性。试样剖面的温度和温度梯度演变图显示出微波烧结过程中不规则的温度分布情况。这种不均匀性主要是由粉体材料不均匀的电特性和电场分布决定的。本文建立的COV(变异系数)误差图显示出粉体材料微波烧结过程中随温度增加而产生的热异质性。     

非均匀脆性材料数值试验CA计算模型

以自动元胞机CA(Cellular Automata)理论为基础,提出了一种CA计算模型,模拟混凝土、岩石等非均匀脆性材料的开裂过程,研究分析材料的变形性质和力学性能。文中给出了空间随机杆件方向余弦常量,推导了等效杆件截面面积计算公式,并通过数值试验证明了方法的有效性。     

热损伤花岗岩内细观裂隙分布非均匀性的研究

为认识花岗岩的细观热损伤特性,首先基于CT(Computed Tomography,计算机层析扫描)技术获取高温热处理后花岗岩横截面上的细观裂隙分布图,然后在细观裂隙分布图上选择分析区域并设置参考线,随后计算不同参考线上的细观裂隙密度,并采用细观裂隙密度的变异系数对细观裂隙分布非均匀性进行定量描述,最后讨论变异系数随参考线方向改变的变化规律。结果表明：不同参考线上的细观裂隙密度不同,细观裂隙密度的变异系数大于0,细观裂隙呈现非均匀分布。随着参考线方向改变,细观裂隙密度的变异系数明显改变,变异系数最大值是40%,最小值是25%,热损伤花岗岩横截面上的细观裂隙分布非均匀性呈现各向异性。     

基于XFEM-MBEM的嵌入式离散裂缝模型流固耦合数值模拟方法

离散缝网的表征与模拟是目前国内外研究的热点. 在非常规油气开发过程中, 由于地应力场的存在会对裂缝的流动属性产生显著影响, 若将裂缝视为静态对象, 与矿场数据会出现极大偏差, 因此要基于动态裂缝做更深入的研究. 本文针对致密油藏应力场?渗流场耦合力学问题, 提出了一种高效的混合数值离散化方法, 其中采用扩展有限元法 (XFEM) 求解岩石的弹性形变, 采用了混合边界元法 (MBEM) 精确计算基岩与裂缝间的非稳态窜流, 这两种数值格式是完全耦合的, 并对整体计算格式的时间项进行了全隐式求解, 可准确表征致密油藏开采过程中的裂缝变形及流体流动机理. 此外, 本文采用了嵌入式离散裂缝前处理算法显式表征大尺度水力压裂缝, 并考虑了支撑剂的作用; 采用了双孔有效应力原理和双重介质隐式裂缝表征方法, 可捕捉基质与小尺度天然裂缝的动态信息; 由此, 本文所提出的混合模型综合表征了基质?天然裂缝?水力压裂缝共同组成的致密油藏复杂渗流环境, 并通过几个实例论证了模型的准确性, 研究表明: 对致密油藏压裂水平井进行产能评价时, 应力场所引起渗流参数的改变及裂缝开度降低的影响不可忽略. 本文研究可为非常规油气资源的开发提供理论指导.      

不同围压作用下非均匀岩石水压致裂过程的数值模拟

从岩石细观非均匀性的特点出发,提出一个描述非均匀材料渗流和破裂相互作用的数值模型。在这个数值模型中,单元的力学、水力学性质根据统计分布而变化,以体现材料的随机不均质性,材料在开裂破坏过程中流体压力传递通过单元渗流,损伤耦合迭代来实现。算例表明,该模型能较好地模拟出岩石类材料在水力压裂作用下,微结构非均匀分布和不同围压比对破裂模式、失稳压力的影响,非均匀性导致试件的开裂压力、失稳压力明显不同,裂纹扩展路径不规则发展,模拟结果和实验结果较为一致。     

一种新型均匀扩散器流场的数值模拟

异性纤维检出设备中扩散器内部流场的情况,直接影响着落棉率和整个清除系统的工作效率.本文用计算流体力学软件FLUENT对新型均匀扩散器的流场进行数值模拟,通过改进扩散器的结构参数,实现流场的均匀和稳定,进而提高整个系统纤维检出设备的清除效率.之后对计算结果进行分析,提出了两种经过结构优化的改进模型,并分析了其内部流场.     

石英玻璃杆Taylor撞击实验的数值模拟

采用离散元方法模拟石英玻璃杆Taylor撞击问题,再现了其破坏过程:在撞击端,杆以压缩失效波的形式破坏;在自由端,出现了密集的拉伸层裂破坏. 分析表明:层裂是失效波阵面应力快速下降引起的追赶卸载波,与弹性压缩前驱波在自由端反射引起的迎面卸载波相互作用的结果;随着撞击速度的增大,撞击端失效波造成的压缩破坏区域损伤程度增大,反射端层裂破坏损伤区域减小. 进一步对失效波阵面的结构变化及其波速问题进行了研究,发现失效区域随着扩张变成一段裂纹逐渐由密到稀的区段,将此区段分为高损伤区和低损伤区,研究发现由稀疏微裂纹组成的低损伤区的前端面传播速度和弹性前驱波速基本相同,为固定值;而高损伤区前端面的裂纹密度随着传播距离的增加变稀,直至过渡为低损伤区,其传播具有显著的速度衰减、端面模糊直至停止的过程. 高损伤前端面的平均速度随着撞击速度的增大而增大,并逐渐趋近于弹性波速. 最后与已有实验做了对比,发现实验中高速摄影观察到的玻璃中\"失效波\"阵面实际上是高损伤前端面,而稀疏的低损伤微裂纹很难捕捉.      

散体物料运输过程中紧急刹车的数值模拟研究

面向 CPU-GPU 异构计算机体系,基于离散元法,完成了散体物料运输过程中紧急刹车的数值模拟,得到了13.01的平均加速比,结果表明,利用GPU进行DEM加速计算不仅可行,而且比CPU的串行求解的加速效果更明显.研究了刹车过程中不同区域颗粒的运动状态以及它们在不同时刻的平均运动速度,并据此来表征颗粒运动的剧烈程度.分析了不同刹车加速度下颗粒的运动状态以及对车厢前壁和车厢底板所受作用力.结果表明:同一刹车加速度下越靠近车厢尾部颗粒运动越剧烈,同一区域中的颗粒运动平均速度随着刹车加速度的增大而增大;随着刹车加速度的增大,同一区域中颗粒的平均速度也越快达到峰值并越先下降并趋于平稳,且作用于车厢壁上的动压力也在增大;加速度越大压力峰值越先到来,峰值也越大,这说明紧急刹车过程中,较大刹车加速度严重地影响了车厢压力和车内货物的分布情况.     

离散元法及其耦合算法的研究综述

介绍了离散单元法的基本理论及其研究现状,以及离散单元法与有限单元法、边界单元法、界面单元法等数值计算方法耦合的研究现状和最新进展,并讨论了离散单元法今后的发展趋势及亟待解决的问题.     

填隙二阶流体下圆球平行于壁平移的粘性阻力

离散元法是分析散体力学行为的数值方法.存在填隙流体时,颗粒之间或颗粒与壁之间产生的法向挤压力和切向阻力、阻力矩,是湿颗粒离散元法的理论基础.二阶流体是以微小偏离牛顿流体本构而考虑时间影响的一种流体.它具有常粘度,并且第一和第二法向应力差正比于剪切率的平方.根据Reynolds润滑理论,采用小参数法,导出了存在填隙二阶流体时,圆球沿平行于平壁缓慢移动时流体的速度场和压力方程,进而求出切向阻力和阻力矩的解析解.有趣的是在推导时所得的速度场和压力方程形式比牛顿流体要复杂得多,但最终结果表明圆球沿平行于平壁移动时因填隙二阶流体引起的切向阻力和阻力矩与牛顿流体时的结果相同.     

基于实验设计法的工程结构优化设计

基于实验设计法,提出了一种新的工程结构优化设计方法,这种方法将设计变量的水平值配列于正关表中,按正交表的参数组合条件进行结构解析,通过对设计变量对于目标函数值的方差分析和F检验,改变设计变量的水平值,进而通过迭代计算使设计变量趋地最优解,本文以杵架结构为计算例,验证了本方法的全局收敛性和优化精度,由于无需构建目标函数和约束函数以及微分计算,此方法具有简单而又适应广泛的优点。     

无胶结材料的离散元微观参数交互作用研究

为研究无胶结材料离散元参数之间的交互影响,采用抗转动模型进行三轴排水试验模拟。首先,采用完全试验设计方法和析因试验设计方法,分别对宏微观参数相依规律以及参数之间的交互作用进行定性分析;然后,采用多元非线性回归分析方法对其进行定量分析,并提出了考虑交互作用的宏微观参数换算理论公式。着重探讨了无胶结材料微观参数中的刚度比α=k_s/k_n(0.3~0.9)、滚动刚度系数β(0.1~3)、颗粒内摩擦角θ(10~40)、法向接触刚度k_n(1×10~7~7×10~7)以及塑性弯矩系数η(0.1~3)与材料宏观力学性质峰值应力σ_p、残余强度σ_r、弹性模量E、泊松比ν以及内摩擦角φ之间的相关关系。研究结果表明,(1)颗粒材料的宏观强度参数主要受颗粒内摩擦角以及抗转动参数影响,而其变形参数主要由颗粒接触刚度及接触刚度比控制;(2)各个微观参数之间就存在不同程度的交互作用,且交互作用对试样宏观性质将产生一定影响;(3)对峰值强度、残余强度和宏观内摩擦角而言,两抗转动参数之间以及抗转动参数与颗粒内摩擦角之间存在较强交互作用。对于宏观弹性模量和泊松比而言,颗粒接触刚度和颗粒接触刚度比与其他微观参数产生较强的交互作用。研究成果对合理科学地确定离散元模型的微观参数具有一定的指导意义。     

针对有砟道床动力特性分析的嵌入式离散元-有限元耦合方法

在离散元-有限元耦合方法中,离散元和有限元交界面处的耦合方式对整体有砟道床的力学行为影响显著.采用基于球形单元的镶嵌单元或粘结单元模拟有砟道床时,由于球形单元和有限单元表面的自锁能力较差,使道砟层在列车载荷作用下容易产生侧向滑移,导致数值模型不稳定.此外,在实际铁路道床中,底部道砟均不同程度地嵌入路堤.为此,发展了一种...     

气固两相流介尺度LBM-DEM模型

LBM-DEM耦合方法通常是指一种颗粒流体系统直接数值模拟算法,即是一种不引入经验曳力模型的计算方法,颗粒尺寸通常比计算网格的长度大一个量级,颗粒的受力通过表面的粘性力与压力积分获得,其优点是能描述每个颗粒周围的详细流场,产生详细的颗粒-流体相互作用的动力学信息,可以探索颗粒流体界面的流动、传递和反应的详细信息及两相相互作用的本构关系,但其缺点是计算量巨大,无法应用于真实流化床过程模拟。本文针对气固流化床中的流体以及固体颗粒间的多相流体力学行为,建立了一种稠密气固两相流的介尺度LBMDEM模型,即LBM-DEM耦合的离散颗粒模型,实现在颗粒尺度上流化床的快速离散模拟。该耦合模型采用格子玻尔兹曼方法(LBM)描述气相的流动和传递行为,离散单元法(DEM)用于描述颗粒相的运动,并利用能量最小多尺度(EMMS)曳力解决气固耦合不成熟问题,以提高其模拟精度。通过经典快速流态化的模拟,验证了介尺度LBM-DEM耦合模型的有效性。模拟结果表明介尺度LBM-DEM模型是一种探索实验室规模气固系统的有力手段。     

离散元与壳体有限元结合的多尺度方法及其应用

在深入研究复杂结构和非均质材料冲击响应和破坏机理的过程中,往往遇到多尺度计算问题.本文尝试建立三维离散元与壳体有限元结合的多尺度方法用于处理圆柱壳问题,该方法采用三维离散元对感兴趣的局域进行局部模拟,利用平板壳体有限元进行整体模拟,采用一种特殊的过渡层使离散元区和有限元区能很好的衔接.我们将这一方法应用于激光辐照下充压柱壳的热/力耦合冲击破坏响应,得到的模拟结果与文献报道有较好的吻合.