颗粒缩放理论标定未筛选烟煤离散元仿真参数

【目的】为了给未筛选烟煤的仿真研究提供参数依据,分析未筛选烟煤的离散元仿真参数,保证仿真与实际颗粒的几何、材料及运动学相似,实现未筛选烟煤的可靠仿真研究。【方法】采用实验和仿真相结合的方法,测得未筛选烟煤的粒径分布、密度、静摩擦因数、堆积密度、休止角等基本参数;基于颗粒缩放理论,建立不同粒径范围内典型颗粒的放大模型,通过Plackett-Burman、最陡爬坡、 Box-Behnken试验对未筛选烟煤的泊松比、切变模量、滚动摩擦因数、恢复系数、 Johnson-Kendall-Roberts(JKR)表面能等仿真参数进行标定。【结果】以实验和仿真休止角相对误差最小为优化目标,得到最优参数组合下的未筛选烟煤的仿真休止角为37.59°,与休止角实验值37.81°的误差为0.58%;仿真堆积密度为717 kg/m³,与堆积密度实验值722 kg/m³的误差为0.69%。【结论】煤-煤恢复系数与休止角呈负相关,煤-煤和煤-钢滚动摩擦因数与休止角呈正相关,溅射现象会阻碍颗粒堆积。     

基于静态和动态休止角的钛白粉离散元仿真参数标定

粉体物料在进行离散元模拟前需要通过参数标定过程来获得精确的离散元仿真参数，现有的参数标定多以静态休止角作为单一的响应值，并不能充分体现粉体的真实性能。为了提高钛白粉离散元仿真参数的精度，选取钛白粉的静态休止角和动态休止角作为宏观响应指标，使用自制的测定装置测得钛白粉的静态和动态休止角的平均值；根据颗粒的尺寸相似原则和减小刚度原理对钛白粉颗粒的粒径和切变模量进行简化，并建立离散元仿真模型；通过单因素试验排除部分对休止角影响较小的离散元仿真参数；应用Box-Behnken试验分别建立静态和动态休止角的二阶回归方程，以实际测定的休止角为目标值对2个回归方程进行寻优求解，获得最优的离散元仿真参数组合；对离散元仿真参数进行实验验证，实现对钛白粉离散元仿真参数标定。结果表明：当钛白粉-钛白粉静摩擦系数为0.51,滚动摩擦系数为0.29,钛白粉-不锈钢静摩擦系数为0.62,滚动摩擦系数为0.17时，钛白粉的离散元仿真参数值组合最优；仿真得到的静态和动态休止角分别为40.4°、 66.2°,与实际测定值的相对误差分别为1.22%、 1.07%。     

基于插值法的粉煤灰离散元仿真参数标定

为了解决粉煤灰离散元仿真研究中参数标定的困难，以粉煤灰漏斗堆积角试验为基础，对粉煤灰离散元仿真参数进行了标定。根据粉煤灰的性质，通过两次插值，分别进行了试验：第一次插值试验，根据仿真堆积角的大小确定各参数需要标定的合理范围，将需要插值的范围缩小；第二次插值试验标定了仿真参数的具体值。结果表明：研究所得仿真参数范围具有普遍性，精确标定的参数值准确度较高，采用插值法来标定粉煤灰及其他散体物料的离散元仿真参数是可行的。     

量杯式计量精度离散元法仿真研究

目的探讨离散元法在预估量杯式计量精度中的应用。方法通过分析计量过程中小米颗粒的运动及能量损耗形式,构建具有质量阻尼和刚度阻尼的颗粒接触模型,并对照实测休止角(34.9°),利用此模型试算反演诸如阻尼比等颗粒的细观参数。在量杯规格为26 mm×17 mm、充填速度为150mm/s的条件下,仿真计算每个充填周期中从料斗迁移出的颗粒数目变化(用以表征计量精度),对实验和仿真数据作对比分析。结果仿真休止角为34.7°,与实测值吻合较好。在显著性水平为0.05时,仿真与实验计量精度无明显不同。结论离散元法可用于量杯式计量的分析研究,且模型的构建及参数的设定是合理的     

新拌自密实混凝土离散元接触参数的标定与分析

为实现新拌自密实混凝土离散元接触参数的标定,以坍落扩展度试验及各参数整合下模拟得到的坍落扩展度为响应值,通过Plackett-Burman试验对7个最初关键参数实行筛查,得出砂浆-砂浆表面能、砂浆-粗骨料滚动摩擦系数以及砂浆-砂浆静摩擦系数对自密实混凝土扩展度影响显著。通过最速上升法试验与Box-Behnken试验结果构造显著性参数与扩展度值的二阶回归方程并求得该方程最优解,显著性参数最佳组合为砂浆-砂浆表面能为0.12J/m2、砂浆-粗骨料动摩擦系数为0.07、砂浆-砂浆静摩擦系数为0.64。最后将最佳参数组合下模拟所得的扩展度与实验值进行对比验证,发现二者相对误差仅为2.78%。因此,采用响应面优化法对自密实混凝土离散元模型参数进行标定具有较强的可靠性。     

颗粒离散单元法数值模拟与典型实验对比研究

为了验证离散单元法的可靠性,尤其是Hertz-Mindlin模型参数设置的准确性,进行颗粒装填孔隙率、颗粒下落弹跳、颗粒堆积倾斜休止角3个典型颗粒行为的数值模拟及实验对比研究。结果表明:自由落体的玻璃颗粒装填后的孔隙率先随颗粒装填数量的增加而减小,然后基本保持不变,与实验结果吻合;颗粒碰撞弹跳模拟可得到和实验一致的颗粒自由落体高度变化图;颗粒的粒径越小,休止角越大,与数值模拟定量吻合,颗粒数量需要达到一定范围,休止角才能准确测量;离散单元法和Hertz-Mindlin模型的可靠性得到验证,并给出一套模拟参数设置,可用于颗粒其他行为的深入研究。     

秸秆制粒过程仿真及环模结构参数优化

为提高制粒效率，对秸秆的本征参数进行测定，利用离散元软件EDEM和有限元软件ANSYS对制粒过程进行仿真，研究颗粒的速度和所受外力随时间的变化规律，以及颗粒接触数量随时间的变化情况；分析模孔孔径、模孔锥角和颗粒粒径对制粒效果的影响，优化环模结构参数。结果表明：模拟仿真的制粒过程与实际制粒机的颗粒成型过程基本一致，颗粒的速度和所受外力呈现出周期性的波动状态，颗粒的接触数量呈现周期性的、逐渐减小的趋势，秸秆制粒过程表现为周期性的循环挤压过程；当环模孔径为5 mm、模孔锥角为75°、粉料粒径为0.6 mm时，环模表面的磨损变形较轻微，制粒质量和制粒效率最佳。     

基于表面能的湿煤颗粒含水率表征方法

表面能为湿煤颗粒含水率的表征参数。为解决在离散元仿真模拟中非球形湿煤颗粒表面能的设置问题,首先通过圆筒法测量不同含水率的9种煤料的堆积角,研究堆积角与含水率间之间的关系;随后利用EDEM进行圆筒堆积仿真试验,建立堆积角与表面能之间的线性回归模型;最后运用回归分析法建立含水率与表面能之间的二次多项式回归数学模型。结果表明:粒径为3～5 mm的湿煤料颗粒的堆积角随着含水率增加而增加;表面能为0～2 J/m~2时堆积角随表面能呈线性缓慢增大趋势;表面能为2～3.75 J/m~2时堆积角随表面能快速增大;基于表面能的非球形湿煤散料颗粒含水率的数学模型与实验结果的最大误差小于2%,说明表征方法准确可靠。由数学模型测算可知:当含水率≤10%时,表面能随含水率快速增大;当煤料含水率10%时,表面能随含水率增大的趋势趋于平缓。     

颗粒物质流变学行为和材料参数对颗粒阻尼器能量耗散的影响

颗粒阻尼技术(NOPD),作为一种简单有效的振动控制手段被广泛应用于各种场合。基于离散单元法仿真,结合NOPD中颗粒系统的运动状态对阻尼效果进行分析,探究不同振动条件对阻尼性能的影响,从细观尺度阐述颗粒系统的能量耗散机理。并通过正交试验,考察颗粒的密度、剪切模量、恢复系数、静摩擦因数、滚动摩擦因数等材料参数对损耗因子的影响。研究结果表明,颗粒系统表现出不同运动状态时的流变学行为及细观结构导致了阻尼效果的变化,颗粒系统在浮力对流状态时表现出最优的阻尼效果。不同的颗粒材料参数在不同颗粒系统运动状态条件下对系统阻尼的影响程度不同。     

活塞杆颗粒阻尼器优化设计研究EI北大核心CSCD

为探究活塞杆颗粒阻尼器阻尼性能,该研究基于离散元-多体动力学耦合分析方法(discrete element method-multibody dynamics,DEM-MBD),建立了活塞杆颗粒阻尼器仿真模型。通过数值模拟,研究活塞杆颗粒阻尼器颗粒材料特性、颗粒尺寸、活塞杆埋入深度及振动幅值和频率对阻尼性能的影响规律。研究结果表明,颗粒间摩擦效应、活塞杆埋入深度对阻尼性能影响显著,碰撞恢复系数对阻尼性能无影响,并发现振动位移与颗粒粒径相等时阻尼效果达到局部最优值。基于以上结论,该研究进一步研究了一种弹簧预紧力作用下显著提升阻尼性能的活塞杆颗粒阻尼器模型,并通过试验对仿真结果进行了验证,为活塞杆颗粒阻尼器在实际振动控制应用中提供理论参考。     

膜式空气弹簧帘子线铺设角-承载力映射模型研究

帘子线铺设角是空气弹簧橡胶气囊成型过程中的关键工艺参数，也是影响空气弹簧有效面积与承载特性的重要因素。采用层合板理论及气囊微元受力分析，引入橡胶气囊帘子线铺设角，构建了帘子线铺设角-有效面积、帘子线铺设角-承载力映射模型；基于MTS852.05软件搭建了空气弹簧膨胀外径、承载力测试装置，4×10⁵～7×10⁵ Pa气压内与46°～56°帘子线铺设角下的有效面积、承载力计算与试验结果最大相对误差分别为4.43%和9.18%,验证了帘子线铺设角-有效面积、帘子线铺设角-承载力映射模型的正确性与有效性，并阐明了帘子线铺设角对承载力的影响规律。研究结果为膜式空气弹簧制定气囊成型工艺与优化承载特性提供理论指导，也为查明多层复合回转结构类薄壁件帘子线层铺设角-力学特性之间的映射关系奠定理论基础。     

振动轨迹对钻井振动筛固相运移的影响

基于考虑颗粒表面粘附力的JKR(Johnson-Kendall-Roberts)理论接触模型,建立钻井振动筛的离散元分析模型,针对固相颗粒群在直线和椭圆轨迹筛面上的运移过程进行对比仿真研究。结果表明:直线振动筛颗粒的运移速度略大于椭圆型的;颗粒碰撞次数呈现周期性变化,并且椭圆振动筛的碰撞次数大于直线振动筛的;不同颗粒呈现明显的分层,粒径大的颗粒容易运动到上层,粒径小的颗粒容易运动到底层;受颗粒表面钻井液黏滞阻力的影响,颗粒粒径与筛孔孔径比为0.4~0.6的颗粒透筛率最大,颗粒粒径与筛孔孔径比小于0.4的小颗粒更容易形成颗粒团,阻碍这类颗粒的透筛。     

筒式冷却机还原铁球团径向运动模拟仿真

针对直接还原铁回转筒式冷却机雾化喷嘴最佳布设区域设计问题,采用二维离散有限元方法,建立回转筒式冷却机断面还原铁球团运动模型,分析回转筒体在不同转速、填充率、物料粒径和导料板数量下,还原铁球团在断面的运动规律和动态休止角,并依据回转筒式冷却机内部平板型导料板的分布,求取还原铁球团与筒体的接触区域,为雾化喷嘴最佳布设区域设计提供设计参考。结果表明:筒式冷却机内颗粒物料在稳定运动阶段作滚落运动;提高筒体转速会使得颗粒物料的休止角增大;增加导料板和增大物料粒径可以改善颗粒物料在筒体内的运动状态;物料填充率的变化对实验结果影响不明显。     

基于粒子阻尼的动力装置基座减振优化设计研究

以动力装置安装基座为研究对象,通过理论解释粒子阻尼的减振特性,借助有限元和离散元等仿真工具,确定粒子阻尼的初步设计方案,并通过振动特性及振动能量分析优化其布置位置,并对粒子的材质、粒径、填充率、表面摩擦因数、表面恢复系数等参数进行优化,确定最终的设计方案.设计仿真计算的模型验证试验台,通过减振特性测试,从粒子的材质、粒...     

C/C复合材料拉伸强度与针刺成型参数相关性研究

采用Design-expert软件设计预制体不同针刺成型参数组合试验, 研究预制体针刺成型参数对针刺碳/碳(C/C)复合材料拉伸强度的影响, 并构建了响应曲面数学模型, 实现对针刺C/C复合材料拉伸强度的优化与预测, 其模型显著性P=0.0206, 各试验实测值与预测值相对误差≤10.82%, 模型具有较高的拟合度。响应曲面回归分析表明: 针刺深度对拉伸强度有极显著影响, 针刺密度对拉伸强度有显著影响, 在本研究的针刺成型参数取值范围内, 拉伸强度的预测区间为42.31~91.87 MPa。通过模型优化出的针刺成型参数组合为: 针刺密度11 pin/cm²、针刺深度 11 mm、网胎面密度50 g/m², 相应拉伸强度预测值为88.62 MPa, 验证值为90.71 MPa, 相对误差2.36%。     

小麦PFC模型细观参数标定方法的验证与分析

为了验证PFC模型细观参数标定方法的可行性,以小麦试样为例,根据PFC软件提供的模型细观参数标定方法的要求,在实验室进行了三轴压缩试验,并利用PFC软件对实验室三轴压缩试验进行了数值模拟。结果表明:通过反复调整PFC模型细观参数能够使数值模拟结果与试验结果基本一致,但很难使二者完全吻合。同等条件下,数值模型的颗粒摩擦系数对偏应力峰值的影响显著,颗粒法向刚度控制偏应力-应变关系曲线的初始斜率,颗粒孔隙率影响偏应力-应变关系曲线达到峰值后的平缓趋势。     

碎石料应力路径大型三轴试验的离散元模拟研究

碎石料在高填方工程中得到广泛应用。由于其粒径较大,对碎石料力学特性的研究通常需要大型的试验设备。该文探索通过离散元数值模拟方法研究碎石料的应力路径相关力学特性。离散元程序可以将若干球形单元粘结成一个捆绑单元,从而模拟可破碎的碎石颗粒。该文首先简要介绍了离散元的计算原理、特点和模拟过程,并建立碎石料试件的离散元模型。通过对比一组恒定围压下的大型三轴试验,确定了各参数,对所建模型进行了标定。进而通过该模型独立预测碎石料试件在三种不同应力路径加载时的应力-应变关系及体变特性,并与相应的应力路径大型三轴试验结果进行对比,验证了离散元方法可以较为准确地计算碎石料沿不同应力路径加载时的力学特性,同时还讨论了碎石料的小应变刚度特性。     

海泡石颗粒重力分级的数值模拟

为了筛选出多种粒径的海泡石颗粒产品，设计一种重力式分级器。针对气体和海泡石颗粒组成的气-固两相流体建立欧拉-拉格朗日两相模型，求解海泡石颗粒分级过程的运动特性；通过分析海泡石颗粒的运动轨迹、位置等运动特性和各级出口处的颗粒粒径分布，确定各级出口的区间分布。结果表明：海泡石颗粒的粒径越小，受分级气流的影响越大；通过分析不同粒径海泡石颗粒在不同时刻的位置，划分出颗粒的分级区间；根据各级出口的颗粒粒径分布分析，确定粒径为1～10μm的海泡石颗粒表现出更集中的粒径分布，更好的单分散性。     

冲击作用下煤岩动态破坏机理的FDEM模拟研究

为研究煤岩的动态破坏规律,利用Φ50 mm分离式霍普金森压杆(split Hopkinson pressure bar, SHPB)装置,开展了煤岩冲击破坏试验。基于零厚度的内聚力单元建立了煤岩有限离散元方法(finite discrete element method, FDEM),标定了模型参数;最后在LS-DYNA软件平台上模拟了SHPB冲击试验,讨论了FDEM模型在模拟动态破坏时的适用性,并对煤岩的破坏过程进行分析。研究表明：(1)煤岩动态抗压强度与应变率满足经验关系,当应变率为98.05 s^-1、119.22 s^-1和135.85 s^-1时其动态强度因子(dynamic strength factor, DIF)分别为1.92、2.08和2.23;(2)冲击作用下煤岩的弹性变形阶段较短,塑性变形能力较强,动态弹性模量的应变率相关性不显著;(3) FDEM模型通过零厚度内聚力单元的失效能够模拟岩石类材料的脆性破坏,当网格尺寸合理时,由于惯性效应的存在,通过准静态试验标定的模型参数,也适用于冲击破坏的模拟;(4)冲...     

基于能量法的颗粒阻尼器减振机理研究及参数分析

颗粒阻尼技术因频带宽和鲁棒性强等优点在土木工程减振领域具有良好的应用前景,但由于颗粒的力学行为具有高度非线性特征且影响因素复杂,相关力学机理研究尚不深入,亟需改进。在阻尼颗粒未发生堆积的条件下,考虑阻尼颗粒与阻尼器腔体之间的碰撞过程和摩擦效应,构建一种颗粒阻尼器-单自由度结构系统力学模型。基于能量法对颗粒阻尼器-单自由度结构各组分能量进行求解,对结构系统各部分耗能规律进行分析,明晰减振机理,对颗粒阻尼器和TMD的减振效果进行对比并探究颗粒材料参数影响规律。通过单层钢框架电磁振动台试验验证基于能量法的结构动力分析的准确性。结果表明:在同等条件下,当结构发生共振时TMD的减振效果较优,非共振时颗粒阻尼器的减振效果较优;在非共振条件下,颗粒阻尼器的减振效果随碰撞恢复系数的减小或滚动摩擦系数的增大而增加,小粒径阻尼颗粒的减振效果更优。