基于离散单元法球形颗粒碰撞破碎行为的数值模拟_黄令军

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收稿日期 $*)0&*Q&)* ! 修回日期 $*)0&))&)+ & 第一作者简介 黄令军 *)Q+% ,#! 男 ! 硕士研究生 ! 研究方向为化工过程 机械 ' 粉体工程及技术应用 & =RI:<6S4B:;>T6UQ*V)$1&35I & 通信作者简介 刘雪东 *)Q1, ,#! 男 ! 教授 ! 研究方向为化工过程机械及 粉体工程技术 & =RI:<6S6WHQQV)$1&35I &
!"#$%&'() *&+")(,&-. -. /%$(0&.1 /$2(3&-% -4 562$%-&7() 8(%,&')$9 :+6(', /(9$7 -. ;&9'%$,$ <)=+=., >=,2-?
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对象颗粒模型建立及相关参数设置
以花岗岩材料为例 ! 采用 ?@?' ,.A 软件构建对
象颗粒 ! 利用 B;; 程序编写颗粒体力 C=D 插件 & 颗粒
第期
黄令军 等 基于离散单元法球形颗粒碰撞破碎行为的数值模拟
-(
体力的作用是在用户给定的某一时间 + 时将所有的 大颗粒移除 同时根据对象颗粒的每个小颗粒的坐标 位置数据文件生成小颗粒 并替换原来的大颗粒 利 用 23456789:;<9: 粘结接触模型 把替换后的小颗粒 球团在某一时间 ,,=( 时按照一定的 粘结键 粘结 起来 得到对象颗粒 对象颗粒构建过程及对象颗粒 粘结键如图 ( 所示 对象颗粒为粒径为 ' ## 的球体 该颗粒由 ')> 个粒径为 >&' ## 的 小 颗 粒 粘 结 而 成 对象颗粒内部小颗粒之间的粘结键总个数为 * (,*
小颗粒之间的粘结参数
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替换时间 ( "@
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粘结时间 , "@ 法向刚度系数 : " B #7( 切向刚度系数 5 ? B #7(
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最大法向应力
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粘接半径 ! ?#
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式中 $ 789'
789
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分别为最大法向 ' 切向应力 !=8 % 7)'7$
分别为法向 ' 切向粘结力 !> % 8)'8$ 分别为法向 ' 切向 力矩 !>+ 7 % $ 为 接 触 区 域 面 积 !7,% 9 为 惯 性 矩 !7/%
A 小颗粒群代替大颗粒
于 (,> #?@ 时 对象颗粒撞击时产生的冲击力使粘结 的小颗粒的粘结键部分发生断裂 小颗粒没有从对象 颗粒脱落下来 颗粒破碎率为 > 表明颗粒碰撞接触以 后 颗粒虽然未发生破碎 但是颗粒内部粘结 键 部 分 发生断裂 宏观表现为颗粒表面出现裂纹 相 对 速 度 大于 (,> #"@ 时 碰撞产生的冲击力使所有粘结小颗 粒的粘结键断裂 , 个颗粒碰撞接触面开始有小颗粒 脱落 随着相对速度的增大 越来越多的单个 小 颗 粒
表; 对象颗粒与小颗粒的相关参数
粉 体 加 工 与 p;'('0),* 4)/)8'*'/ +3 +-='1*'6 4)/*#1('5 ),6 58)(( 4)/*#1('5
小颗粒 粒径 "## 粒径比 小颗粒 总个数 粘结键 总个数
对象颗粒 粒径 "##
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中 国 粉 体 技 术
D-A E
GCHI 年 J 月 H5<)*&)0%0$XU&<EE;&#**+&,,-+&Y*#-&*0&*#-
F".A GCHI
基于离散单元法球形颗粒碰撞破碎行为的数值模拟
黄令军 刘雪东 苏世卿
* 常州大学 机械工程学院 ! 江苏 常州
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摘要 采用离散单元法 基于 !"#$%&'()*+() 粘结接触模型 对 , 个球形 颗粒在水平方向上的对心碰撞破碎过程进行数值模拟研究 分析相对 速度及粒径比 ! 为 -., -./ -.0 对颗粒破碎行为的影响 结果表明 撞 击速度较小时 颗粒碰撞后未破碎 但 是 内 部 出 现 局 部 粘 结 键 的 断 裂 宏观表现为裂纹 随着撞击速度的增大 颗 粒 出 现 破 裂 或 完 全 破 碎 不 同粒径比的 , 个颗粒碰撞时 小 颗 粒 比 大 颗 粒 破 碎 严 重 粒 径 比 为 -.0 时 粒 径 较 小 的 颗 粒 碰 撞 后 获 得 的 动 量 最 大 粒 径 比 为 -./ 时 次 之 粒 径比为 -., 时最小 关键词 颗粒碰撞 破碎 离散单元法 数值模拟 中图分类号 !"#$%&$' ' ' 文献标志码 ( 文章编号 )**+&,,-+.$*)-/*0&**1*&*-
网络出版时间：2014-06-24 10:21 网络出版地址：/kcms/doi/10.13732/j.issn.1008-5548.2014.03.014.html
第 GC 卷
第E期
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颗粒物料冲击破碎一直是 粉 体 工 程 技 术 领 域 所 关注的课题 & 破碎过程的随机性 ' 多样性和复杂性使 理论分析十分困难 & 研究者通过实验或数值模拟对此 类问题进行了探索 ! 这些研究主要集中在颗粒物料冲 击靶板的破碎 1-&/2或颗粒物料挤压破碎 13&02& 牟赛杰等 142 研究了颗粒物料相互冲击破碎的情况 ! 认为尺寸不同 的 , 个颗粒撞击时小颗粒比大颗粒破碎严重 & 离散单 元法及计算机技术的进步使颗粒破碎行 为 的 数 值 模 拟得以实现 ! 但是目前有关利用离散单元法模拟颗粒 物料之间破碎行为的研究报道很少 & 本文中利用离散 单元法对 , 个球形颗粒在水平方向上的 对 心 碰 撞 破 碎行为进行模拟 ! 为研究在冲击载荷作用下颗粒物料 之间的破碎过程和机理提供参考 &
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最大切向应力 #AC ?DA
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结果与讨论
图: 颗粒相对速度与破碎率的关系
在小颗粒本身性质及小颗粒之间粘 结 参 数 相 同
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的情况下 根据建立的对象颗粒模型及相关参数的设 定 对不同粒径比 的 , 个对象颗粒在水平方向上以 相同速度对心碰撞进行数值模拟 对模拟结果进行分 析与讨论
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相同粒径的颗粒碰撞 对粒径为 ' ## 的 , 个颗粒进行碰撞模拟 , 个
对象颗粒在水平方向上以相同速度对碰 得到颗粒相 对速度 4 与破损粘结键数 及颗粒相对速度 4 与破 碎率 的关系如图 , . 所示 破碎率为从对象颗粒脱 落的单个小颗粒的个数与构成对象 颗 粒 的 小 颗 粒 总 数之比 对象颗粒中小颗粒的位置是不规则排列的 因此对象颗粒两半球的小颗粒分布不均 使 , 个对象 颗粒对碰后的破损粘结键数和破碎率有略微偏差 但 是呈现一致的变化趋势 由图 , . 可知 相对速度小

! 对象颗粒内部粘结键 图; 对象颗粒构建过程及对象颗粒粘结键
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通过相同的方法得到对象颗粒与小 颗 粒 的 相 关 参数如表 ( 所示 粒径比 是不同粒径的对象颗粒与 粒径为 ' ## 的对象颗粒的粒径之比 离散单元法模 拟中花岗岩材料小颗粒之间的粘结参数如表 , 所示
球形颗粒组成 ! 这是颗粒离散单元法的一个很大的局 限性 ! 因此颗粒单元无法直接破碎152& 假设球形颗粒是 由无数个更小的球形颗粒组成! 离散单元法中的
!"#$%&'()*+() 粘结接触模型 162 通过 一 定 尺 寸 的 ( 粘 结