（机械电子工程专业论文）辊压机料层挤压中的颗粒行为研究.pdf

一-_l；i j， r e s e a r c ho fp a r t i c l eb e h a v i o ri nt h em e x t r u s i o no fr o l l e rp r e s s b y b a on n o u n d e rt h es u p e r v i s i o no f p r o f z h a o f a n g at h e s i ss u b m i t t e dt ot h eu n i v e r s i t yo fj i n a n i np a r t i a lf u l f i l l m e n to ft h er e q u i r e m e n t s f o rt h ed e g r e eo fm a s t e ro fe n g i n e e r i n g u n i v e r s i t yo fj i n a n j i n a n ，s h a n d o n g ，p r c h i n a m a y3 0 ，2 0 1 0 原创性声明 本人郑重声明：所呈交的学位论文，是本人在导师的指导下，独 立进行研究所取得的成果。除文中已经注明引用的内容外，本论文不 包含任何其他个人或集体已经发表或撰写过的科研成果。对本文的研 究作出重要贡献的个人和集体，均已在文中以明确方式标明。本人完 全意识到本声明的法律责任由本人承担。 论文作者签名：丝鎏 日 期：塑! ! ：曼：丝 关于学位论文使用授权的声明 本人完全了解济南大学有关保留、使用学位论文的规定，同意学 校保留或向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子版，允许论 文被查阅和借鉴；本人授权济南大学可以将学位论文的全部或部分内 容编入有关数据库进行检索，可以采用影印、缩印或其他复制手段保 存论文和汇编本学位论文。 ( 保密论文在解密后应遵守此规定) 论文作者签名：丝选导师签名：论文作者签名：弛协导师签名： 济南大学硕十学何论文 目录 一 摘要i i i a b s t r a c t v 第一章绪论1 1 1 辊压机简介l 1 1 1 辊压机的发展历程1 1 1 2 辊压机的结构特点2 1 1 3 辊压机的工作原理3 1 2 颗粒行为的研究现状4 1 2 1 国内研究现状4 1 2 2 国外研究现状。6 1 2 3 颗粒体行为数值模拟与分析的方法及工具7 1 3 本文研究的主要内容1o 第二章料层挤压中的颗粒力学模型构建1 1 2 1 颗粒接触力的数学模型1 1 2 2 颗粒力学仿真模型建立1 5 2 2 1e d e m 软件功能特点15 2 2 2 仿真模型参数及约束条件设定1 6 2 3 本章小结1 8 第三章基于e d e m 的辊压机工作参数优化1 9 3 1 辊压机料层的应力状态与主要工作参数的关系1 9 3 2 辊压机工作参数的正交试验设计2 0 3 2 1 正交试验的因素水平确定2 0 3 2 2 正交试验表设计及结果分析2 2 3 3 不同参数时颗粒最大受力变化规律2 6 3 3 1 不同角速度时颗粒最大受力变化规律。2 6 3 3 2 不同颗粒粒径时颗粒最大受力变化规律2 7 3 4 本章小结2 8 第四章料层挤压中的颗粒力学模拟2 9 4 1 辊压机流场的颗粒行为模拟2 9 辊压机料层挤压中的颗柁行为研究 4 2 料层挤压流场中颗粒力学分析3 0 4 2 1 流场中颗粒压力矢量分析3 0 4 2 2 流场中颗粒接触力的力链分析3 3 4 3 料层挤压流场中颗粒运动学分析。3 5 4 4 本章小结3 8 第五章辊压机机架的有限元分析及优化3 9 5 1 辊压机机架的静态有限元分析及优化一3 9 5 1 1 辊压机机架有限元模型建立3 9 5 1 2 机架的有限元结果分析4 l 5 1 3 辊压机机架的优化4 3 5 2 辊压机机架模态分析及优化4 5 5 2 1 辊压机机架的模态分析4 6 5 2 2 辊压机机架的模态优化分析4 8 5 3 本章小结5l 第六章结论与展望5 3 6 1 主要工作与结论5 3 6 2 不足与展望5 4 参考文献5 5 致谢一5 9 附录a ( 攻读学位其问发表论文目录) 6 1 h 济南人学硕士学位论文 摘要 基于料层挤压粉碎理论设计的辊压机在水泥粉磨行业取得了良好的应用效果，但 物料挤压过程中的颗粒与颗粒、颗粒与压辊的相互作用等受力和运动规律仍缺乏足够 的了解。因此，运用离散元技术，深入的研究辊压机料层挤压流场的颗粒行为不仅对 优化辊压机结构和工作状态，而且对丰富料层挤压理论析都具有重要意义。 本文首先对料层挤压过程离散颗粒的力学特征进行分析，以离散元软件e d e m 和 三维造型软件s o l i dw o r k s 为平台建立颗粒力学仿真模型。研究了辊压机料层挤压过程 的力学特性与主要工作参数的关系。采用正交试验分析的方法对辊压机流场进行模 拟，得到影响颗粒最大压力大小的主次顺序为颗粒粒度、角速度、辊缝间隙，确定最 优方案为角速度1 8 7 5 r a d s ，颗粒粒度3 0 m m ，辊缝间隙3 2 m m 。分析压辊角速度、颗 粒粒径参数对颗粒最大压力的影响，找到了角速度、颗粒粒径与最大压力的关系。 以最优参数对辊压机流场中离散颗粒行为模拟，得到料层挤压过程中颗粒所受压 力及离散颗粒的切向力和法向力随时间变化的规律，分析表明料层挤压中剪切力是一 直存在的，但起主要作用的是法向力，颗粒是挤压破碎并不是剪切破碎。从颗粒接触 力力链的角度阐述了流场中颗粒受力波动的原因，并从离散颗粒的运动学角度解释了 经典的层压粉碎理论的三阶段，说明了控制好颗粒运动情况将对提高辊压机单位产量 具有指导意义。 对辊压机机架的有限元分析得到立柱承载面、上下横梁的应力分布规律及最大等 效应力，进而以质量最小化为目标对机架进行优化，获得了预期的结果。对机架的模 态分析得到机架的前六阶固有频率和相应振型，找到振型中变形较大的区域，优化设 计后，相应构件的变形明显变小，相对合位移曲线趋于平缓，保证了辊压机在不同参 数条件下的安全运转。 关键词：辊压机；颗粒行为；e d e m ；机架；有限元 i i i 辊压机料层挤压中的颗粒行为研究 i v 济南大学硕十学位论文 a b s t r a c t t h er o l l e rp r e s sw a sd e s i g n e do nt h eb a s i so fc r u s h e dm a t e r i a ll a y e re x t r u s i o nt h e o r y w h i c hh a da c h i e v e dt h eb e s tr e s u l t si nt h ec e m e n ti n d u s t r y , b u td u r i n gt h em a t e r i a l e x t r u s i o np r o c e s s ，w es t i l ll a c ko fa d e q u a t eu n d e r s t a n d i n ga b o u tp a r t i c l e sa n dp a r t i c l e s ， p a r t i c l ei n t e r a c t i o n sw i t ht h er o l l e rf o r c ea n dm o v e m e n tl a w t h e r e f o r e , t h ed i s c r e t e e l e m e n tt e c h n i q u ew a su s e d ，i n - d e p t hs t u d yo ft h er o l l e rp r e s sm a t e r i a ll a y e re x t r u s i o nf l o w b e h a v i o ro fp a r t i c l e sc a nn o to n l yo p t i m i z et h es t r u c t u r ea n dw o r k i n gc o n d i t i o no ft h er o l l e r p r e s s ，b u ta l s oe n r i c hl a y e ro fe x t r u s i o nm a t e r i a lt h e o r y d u r i n gt h em a t e r i a ll a y e re x t r u s i o np r o c e s st h em e c h a n i c a lc h a r a c t e r i s t i c so fd i s c r e t e p a r t i c l e w a sa n a l y s e d b a s e do nt h ed i s c r e t ee l e m e n ts o f t w a r ee d e ma n d t h r e e - d i m e n s i o n a lm o d e l i n gs o f t w a r es o l i dw o r k s ，t h ep a r t i c l em e c h a n i c ss i m u l a t i o nm o d e l w a se s t a b l i s h e d t h er e l a t i o no ft h em e c h a n i c a lc h a r a c t e r i s t i c sa n dm a i np a r a m e t e r sd u r i n g t h em a t e r i a ll a y e re x t r u s i o np r o c e s sw a ss t u d i e d t h ea n a l y s i so fo r t h o g o n a lt e s tm e t h o d w a su s e dt os i m u l a t et h ef l o wf i e l do fr o l l e rp r e s st oo b t a i nt h em a i nf a c t o r sw h i c hi m p a c t s o fp a r t i c l ec o m p r e s s i v ef o r c e ，p a r t i c l es i z e ，v e l o c i t y , r o l l e rg a p ，t h eo p t i m a lp r o g r a mi st h e a n g u l a rv e l o c i t y1 8 7 5 r a d s ，p a r t i c l es i z e3 0 m m ，r o l l e rg a p3 2 m m a n a l y s i so fr o l l e r a n g u l a rv e l o c i t y , p a r t i c l es i z ep a r a m e t e r so fp a r t i c l e so nt h ei m p a c to fm a x i m u mp r e s s u r e a n df o u n dt h ea n g u l a rv e l o c i t y , p a r t i c l es i z ea n dt h em a x i m u mc o m p r e s s i v ef o r c e r e l a t i o n s h i p t h eo p t i m a lp a r a m e t e r so nt h ef l o wf i e l dw a su s e di nt h ed i s c r e t ep a r t i c l ed y n a m i c s i m u l a t i o n t h ec o m p r e s s i v ef o r c e ，n o r m a lf o r c ea n dt a n g e n t i a lf o r c ed i s t r i b u t i o no f m a t e r i a ll a y e ri nt h ep r o c e s so fe x t r u s i o nw e r eo b t a i n e d a n a l y s i ss h o w e dt h a tt h em a t e r i a l l a y e re x t r u s i o np r e s s u r ei nt h es h e a rs t r e s si sa l w a y sp r e s e n t ，b u tw h i c hp l a y sam a j o rr o l e i st h en o r m a lf o r c e ，p a r t i c l e sa r en o tb r o k e ne x t r u s i o ns h e a r i n g c o n t a c tf o r c ef r o mt h e f o r c ec h a i np a r t i c l e si sd e s c r i b e di nt e r m so ft h ef l o wf i e l dw h i c hi st h ec a u s eo fp a r t i c l e f o r c ef l u c t u a t i o n s f r o mt h ep e r s p e c t i v eo fd i s c r e t ep a r t i c l e sd y n a m i c s ，t h em a t e r i a ll a y e r e x t r u s i o nt h r e e - s t a g et h e o r yw a sw e l le x p l a i n e d i ts h o w e dt h a tw e l lc o n t r o lo fp a r t i c l e m o v e m e n tw i l li n c r e a s er o l l e rp r e s sy i e l d si n s t r u c t i v e t h ef m i t ee l e m e n ta n a l y s i so ft h ef l a m eo fr o l l e rp r e s s ，t h es t r e s sd i s t r i b u t i o na n d v 辊压机科层挤压巾的颗粒行为研究 m a x i m 6 ms t r e s so ft h ec o l u m nb e a r i n gs u r f a c e ，t h eu p p e ra n dl o w e rb e a m sw e r eo b t a i n e d t h e nm i n i m i z i n gt h eo b j e c t i v eq u a l i t yo ft h ef r a m e o p t i m i z e da n dg e t t e dt h ed e s i r e dr e s u l t s m o d a la n a l y s i so nt h ef r a m e ，g e t t i n gt h ef r a m eo ft h ef i r s ts i xn a t u r a lf r e q u e n c i e sa n d c o r r e s p o n d i n gm o d es h a p e s f i n dt h el a r g ed e f o r m a t i o na r e ao fv i b r a t i o nm o d e l ，a f t e r o p t i m i z a t i o nd e s i g no fc o m p o n e n t s ，t h ec o r r e s p o n d i n gd e f o r m a t i o nd e c r e a s e ds i g n i f i c a n t l y a n dr e l a t i v ed i s p l a c e m e n td i a g r a mt e n d e dt ob es t a b l e t h er o l l e rp r e s sc a no p e r e a t es a f e l y u n d e rd i f f e r e n tc o n d i t i o n s k e yw o r d s ：r o l l e rp r e s s ；p a r t i c l eb e h a v i o r ；e d e m ；f r a m e ；f i n i t ee l e m e n t v i 济南大学硕 ：学位论文 第一章绪论 伴随经济、社会的快速发展，有色冶金、黑色冶金、化工、轻工等矿产资源日趋 贫化，建材、路、桥、坝用到的矿石量也日益增大，使物料加工的第一道工序粉 碎作业显得尤为重要】，不仅要产量大、质量高，而且要适应物料的品位属性，节能 降耗。 2 0 世纪8 0 年代料层挤压粉碎理论提出后，新型节能设备辊压机随之应用于生产。 在过去的二十多年中，德国、美国、丹麦、俄罗斯等国对辊压机曾做过大量理论及应 用研究，使得该设备的设计和制造不断完善，设备性能日益提高。我国在引进国外先 进技术与设备的同时消化和吸收了其技术使其国产化【2 】，取得良好的经济效益和社会 效益，也推动了我国水泥粉磨技术的应用和设备制造水平达到一个新的台阶。但是辊 压机的设计理论目前仍不完善，诸如整体结构及挤压辊的动态计算分析，主要工作参 数的确定与优化，液压传动系统如何满足大波动、大冲击等等都需要深入开展研究。 实际上，需要粉碎的物料是由无数大量颗粒组成的离散或松软的颗粒群体，颗粒 数目巨大，其粒度、形状、物性也不尽相同，是典型的复杂系统。特别是随着粉磨工 艺对物料特性要求的提高，需要辊压机不仅节能降耗，而且在产品质量、效率和环保 等方面更进一步，从而推动了辊压机研究从结构、输入、输出等宏观视角转入物料流 场分析的微观视角。过去常用宏观的连续体力学理论分析散体过程，把颗粒看成是由 连续的物质组成，忽略了颗粒物理参数、粒径等对颗粒的影响，因此整体误差较大， 导致理论分析与实际偏离【3 1 。总之，采用现代设计与分析方法，深入研究辊压机料层 挤压中颗粒行为是进一步丰富和完善料层挤压理论，提高辊压产品质量与可靠性的必 然趋势。 1 1 辊压机简介 1 1 1 辊压机的发展历程 1 9 7 9 年，k s c h o b n e r t 设计了一个压力粉碎工艺流程进行试验。试验证实对石灰石 等试料层压进行粉碎时，能量利用率大幅度提高，辊磨能耗大幅度下降，具有显著的 节能效果4 1 ，进而提出了料层粉碎理论。德国的两家公司于1 9 8 5 年根据这一原理迅速 推出了各自的辊压机产品，即保利休斯公司的高压粉碎辊( h i g hp r e s s u r eg r i n d i n g r o l l 哪和洪堡公司的辊压机( t h ep r e s s e dr o l l e r ) 5 1 。接着，世界各大水泥机械制造公司、 辊，i 机料层挤压中的颗粒行为研究 丹麦史密斯公司及美国富乐公司竞相开发研制挤压磨，许多水泥厂家也争相应用【6 1 。 我国自上世纪年代8 0 中期，由合肥水泥研究设计院、天津水泥工业设计研究院、洛阳 矿山机器厂、唐山水泥机械厂四家单位联合引进德国k h d 公司辊压机设计制造技术并 经过改进而广泛应用。 1 1 2 辊压机的结构特点 辊压机问世以来，其发展迅速，结构、性能等方面不断完善。如图1 1 所示，辊 压机主要由电动机、行星减速器、辊系、整体机架、扭矩支承、液压装置、喂料装置、 轴承、轴承座、控制系统等组成。 图1 1 辊压机的三维结构不意图 辊压机的两个辊轴分别由电动机经万向联轴器、行星减速机带动。行星减速机安 装在扭矩支承上，与压辊间用缩紧盘联接。辊系分为活动辊系和固定辊系，两个辊系 都安装在机架上，活动辊系可在机架导轨上作水平运动，活动辊系两端共有两个( 或 四个) 平行油缸对辊系的轴承座施加压力，该压力通过辊系作用在通过两辊轴间的物 料上，使物料被破碎、粉磨，并最终被压成料饼。辊轴采用高强锻钢，压辊外圆堆焊 了耐磨合金以保证压辊的经济寿命。液压系统由液压缸、液压站、蓄能器、阀件等组 成。压辊间隙、油缸压力、轴承温度、减速器温度等都有传感器监测，并配备专门设 计的自动控制系统。 2 济南大学硕l j 学位论文 轴 左侧液压缸右侧液压缸 1 1 3 辊压机的工作原理 图1 2 辊压机的结构示意简图 辊压机技术是基于在较大的压力作用下颗粒间相互作用而粉碎的理论发展起来 的。德国的k s c h n e a t 教授在这方面进行了开拓性的研究工作，取得了具有突破性的 成就。1 9 7 9 年和1 9 8 4 年，他发表文章从粉碎物料的能量观点出发，对传统的粉磨方式 进行了系统的实验研究和理论探讨，首次提出了高压作用下的“料床粉碎”( p r e s s u r e c o m m i n u t i o ni nt h em a t e r i a lb e d ) 这一全新概念，引发了粉磨行业上一次革命。料层粉 碎不同于单颗粒破碎，其颗粒受力状态和单颗粒破碎相差甚远，料层中的应力状态主 要取决于颗粒特性及排列结构和受力条件等因素，料层中的每一颗粒的应力状态又与 其所处的位置有关，因此挤压过程是离散颗粒与颗粒、离散颗粒与挤压辊相互作用过 程。 辊压机具体工作过程是如图1 3 所示，动辊被电动机带动转动，松散的物料由上 方喂入两辊的间隙中，并向下运动，到下面受到破碎和挤压，形成密实的料床，经 1 5 0 2 0 0 m p a 的高压处理后，物料颗粒内部都产生强大的应力，当应力达到颗粒的破 碎应力时，这些颗粒就相继被粉碎，或粒径变小，或成粉状，或部分颗粒产生微小裂 纹，增大了物料的易磨性。 3 辊压机料层挤压中的颗粒行为研究 机 1 2 颗粒行为的研究现状 图1 3 辊压机工作示意图 能器 过去十几年时间里，研究料层挤压过程颗粒行为所应用的力学理论基础大部分都 是连续性的。模拟料层受力时，采用传统的有限元方法，将料层视为连续体，多用于 分析压辊静态的应力和变形特性，根据应力和变形的分析结果对压辊的安全性进行评 价，这样会使计算结果与实际有差距。而离散单元法( d e m ) ，不连续变形分析法川 ( d d a ) 则以不连续力学为基础，将料层看作许多离散的颗粒，实现颗粒与颗粒之间相 互接触，颗粒与辊面之间相互接触，主要用于分析颗粒的运动、不连续面之间的接触， 这样与实际工况比较相似，结果相对准确可靠。 1 2 1 国内研究现状 郭年琴，丁凌蓉，黄冬明运用破碎理论、散体力学、有限元和电测实验等，建立 了破碎腔层压破碎的三维模型，参数化自动生成破碎腔和散体球体模型，自动仿真装 载散体球到破碎腔，并转化成杆单元有限元模型，建立有限元层压破碎过程仿真模拟 的力学模型，并用实验验证模型，对破碎腔层压破碎的过程和参数进行研究，深入散 体岩石受力破碎的微观领域，探求其受力状态、变形规律和破碎机理，为研制新型层 压破碎设备提供了理论基础f 8 】。 4 济南人学硕，l 学位论文 长沙大学的李云龙，王淀佐等系统研究了单颗粒破碎的基本规律，指出单颗粒破 碎是指颗粒的受力和破裂是单独进行的，即颗粒之间无相互作用。单颗粒破碎是粉碎 技术的基础，实质是无边界约束的“微料层 粉碎，粉碎过程可以划分为“预损碎 裂一压实”三个阶段。研究了加载速度对矿物颗粒变形的影响并对不同矿物的破碎行 为进行比较p j 。 东北大学的王介强、宋守志概述了料层粉碎理论的发展情况，包括粉碎的能耗规 律和粉碎的力学理论，提出可采用统计细观损伤力学来研究料层粉碎的动力学过程， 不同冲击速度下得到的同粒级产品，其细观损伤程度不同，损伤随冲击速度的提高而 加剧；活化裂纹密度随冲击速度的提高而增加，裂纹平均长度随冲击速度的提高而减 小【l o l 。对研究不同工作压力作用下，压辊磨损和粉碎颗粒随其变化有一定的指导意义。 上海交通大学的黄冬明，范秀敏，姚福生等对基于破碎粉磨过程矩阵模型和挤压 类破碎机破碎腔分层划分研究，建立了挤压类破碎机层压破碎过程操作模型，通过 r m t 15 0 b 岩石力学试验系统对挤压类破碎机层压破碎过程进行模拟试验，对层压破 碎过程进行深入研究，建立了相应选择函数模型和破碎函数模型，为仿真优化破碎产 品粒度奠定了基础【1 1 1 。 洛阳矿山机械工程设计研究院的杨纪昌，王素玲研究表明辊压机的辊面寿命除与 自身的结构形式有直接的关系外，还与被挤压的物料特性及辊压机的运行参数有很大 关系。所以，在提高辊压机辊面的制造技术，把好关键的第一道关的同时，在设备使 用过程中，具体分析不同的破碎情况，还应及时调整辊压机的运行参数，控制好物料 粒度大小，物料成分、抗压强度和挤压力的大小，挤压辊转速会进一步延长辊面寿命 f 1 2 1 ，证明了微观颗粒行为对宏观辊压机部件有重要的影响。 郝雪第，朱冬梅等将颗粒系统看成连续性介质的一块料层，利用有限元思想在 l s d y n a 中建立磨机行星轮和煤层模型，成功获得了行星轮的滚动阻力，最初磨机 设计的不合理处得到修正，并且进而计算出磨机功率，仿真结论在工厂得到很好的验 证【1 3 1 。 傅华，刘仓理，王文强等阐述了一种离散元与有限元法相结合的计算方法，编制了 可应用于细观模拟的二维程序，对受冲击载荷作用的均匀材料和非均匀材料的响应特 征进行了计算，并对数值模拟进行了验证，模拟结果与理论值较吻合，验证了方法的 可行性。使用该方法后的计算程序，能充分发挥离散元和有限元各自算法的优势，使模 拟受冲击荷载的非均匀混合材料的细观响应成为可能【m 】。 5 辊压机料层挤压中的颗粒行为研冗 赵永志，江茂强，徐平等将离散单元法应用到三维颗粒堆积过程的模拟计算，探 讨了滑动摩擦及滚动摩擦对堆积形成的影响，得到了颗粒堆内部的应力分布规律，发 现颗粒堆的形态是由滑动摩擦和滚动摩擦共同决定的，在堆内颗粒间的作用力基本呈 树状结构【1 5 1 ，从静态的角度阐述了颗粒系统内部受力情况。 1 2 2 国外研究现状 g u n l a n d ，g w a n g 建立了辊压机工作参数的数学模型，计算出高压辊磨机在不 同辊缝下工作时的颗粒对磨辊推力、驱动力矩、功率等参数。将计算的高压辊磨机磨 辊表面法向压力和剪力及和实测法向压力的对比，计算值与实测值十分接近【1 6 】，为研 究压辊受力分析提供了一定的依据。 r o m a nt d e e a ，a n t o n i o sz a v a l i a n g o s b ，j o h nc c u n n i n g h a m 通过对物料的性质， 辊压机的设计与操作参数研究，特别对固体颗粒辊压理论和最近的有限元分析模型进 行了比较研究，有限元法能在咬入角度、辊压区域压力分布、扭距等方面进行相对准 确的预测，减少了费用、时间、资源，实现工艺和设备优化【1 7 1 。 t h o n g ，j y o o i ，b s h a w 对有关喷丸参数导致残余应力关系进行了数值模拟研 究，先采用了有限元法进行单颗粒情况的仿真，找到单颗粒粒径、速度以及冲击角度 对残余应力的影响，后利用离散元思想，使用e d e m 软件对颗粒流仿真，找到颗粒 群中颗粒粒径、颗粒冲击角度、颗粒流的速度、颗粒的数量对残余应力的影响，更加 准确真实的模拟了颗粒的动力学过程。研究表明了有限元和离散元方法能在实际工程 的喷丸工艺方面进行有效的质量控制【侣】。 n d j o r d j e v i c ，f n s h i ，r d m o r r i s o n 成功模拟了两种类型的冲击式破碎机：垂直 轴冲击式破碎机和水平轴锤式破碎机。以d e m 为基础的p f c 3 d 软件来模拟颗粒的运动 和相互作用，破碎模拟采用了应变率理论，用c a n i c a 破碎机处理硅石来采集数据，用 b j d 锤式破碎机破碎煤炭以确定能量消耗和获得产品粒度分布1 9 1 。研究分析了破碎机 腔内的颗粒速度和碰撞的能量分布对颗粒的破坏效果的影响。 c j c o e t z e e ，d n j e l s ，g f d y m o n d 建立了挖掘机铲斗的三维模型，以往模拟的 物料处于整体固定状态，现在利用e d e m 商业化软件造出4 种不同形状的颗粒团，实 现了离散颗粒的动力学模型的建立，解决了以往d e m 编码不能解决动态微分运动方程 的问题。将仿真预测的铲斗受到颗粒群的阻力与实验数据相比较，证实了模拟的准确 性，对研究颗粒系统的动态行为有引导作用【2 0 1 。 s e r g i ya n t o n y u k , m a n o jk h a n a l 等应用实验和d e m 方法对球形颗粒的破坏过程进 6 济南大学硕十学位论文 行研究。在1 0 m s 至u 5 0 m s 冲击速度范围内，用单个颗粒进行冲击测试来研究颗粒的破 碎行为，冲击过程弹塑性破碎行为，通过电子显微镜观察对颗粒破碎情况进行解释分 析，研究表明破碎行为主要依赖于颗粒的微观和宏观结构，破碎的概率接近威布尔统 计【2 l 】。 r s r a n s i n g ，d t g e t h i n ，a r k h o e i 等应用离散和连续建模方法模拟粉末压 实过程的进行分析。研究表明对韧性粒子和韧性和脆性混合的粒子的物料系统压缩模 型采用离散元法的分析结果与g u r s o n 模型一致。连续性分析结果与实验结果、数值分 析相比较来进行验证，发现可以比较准确的预测铁颗粒的密度。两种分析方法在有限 的范围内可以用于工业工程中，获得有益的结果【2 2 1 。 m u n j i z a 等人将离散元、有限元耦合模型计算用于分层破坏和结构失稳问题的研 究【2 3 之4 1 ，以及多尺度结合应用研究【2 5 】。m a n o jk h a n a l ，r o bm o r r i s o n 应用离散单元法 研究离散颗粒滚动中磨损情况【2 6 1 。t s u j i 等将离散元与流体动力学结合研究颗粒两相流 【2 7 1 。d g o l c h e r t ，r m o r e n o 等人利用离散元法研究了颗粒形态对挤压破碎行为的影响 【2 8 】。k h a r t 利用离散元与有限元结合研究了子弹碰撞过程问题【2 9 】。可见，离散元在模 拟颗粒方面有很大优势并且不断向前发展，应用越来越广泛。 。 2 3 颗粒体行为数值模拟与分析的方法及工具 料层是由众多离散颗粒相互作用而形成的具有内在有机联系的复杂系统，在对颗 粒体进行模型化处理时，有有限差分法、有限元法、离散元法等多种模拟方法和相应 的软件工具，各有不同的优势和适用条件。 ( 1 ) 模拟分析方法【3 3 】 有限差分法 有限差分法( f d m ) 是一种连续性介质力学数值方法，在工程中被广泛采用。有 限差分法的基本思想是以差商代替微商，对微分方程进行离散化，用包含有多个未知 量的差分方程近似代替微分方程，将微分方程问题化为代数为题，最后求得微分方程 在各个离散点的数值解。当把颗粒体系统看作连续性介质，用偏微分方程描述颗粒行 为现象并进行数值求解，多数情况下所建立的偏微分方程具有比较复杂的形式，此时 用有限差分法对其进行求解是非常有用的，但是有限差分法只适用于比较简单的情 况，并且定解条件确定比较困难。 有限元法 有限元法( f e m ) 是一种区域性的离散方法，其对求解域的形状没有限制，边界 7 辊压机料层挤压中的颗粒行为研究 条件易于处理，适用于连续体力学领域结构静动态特性分析，随后应用于流体力学、 电磁场等连续性问题。有限元法将工程结构离散为由各个单元组成的计算模型，离散 后利用单元的节点把各个单元互相连接起来。对于有限元来分析颗粒体行为的场合， 需要用微分方程来描述本质上并不连续的粉体现象，或者用连续介质模型对其进行近 似描述，由于动态颗粒层中颗粒时刻都是变化的，表现出非线性行为，因此有限元法 所涉及的小变形线性分析和准静态假设等条件，对于非线性和动态的颗粒层问题的适 用性也存在一定的问题。 离散单元元法 离散单元元法又称d e m ( d i s c r e t ee l e m e n tm e t h o d ) ，其基本原理是将研究对象离 散成若干个单元的集合，在运动过程中单元之间可以互相分离，即一个单元与其邻近 单元可以接触，也可以分开【3 0 1 。单元之间互相作用的力可以根据不同的本构关系求的， 而单个单元的运动则完全根据该单元所受的不平衡力和不平衡力矩的大小按牛顿运 动定律来确定，运动方程的求解一般采用动态松弛法。离散单元法允许单元间的相对 运动，不一定要满足位移连续和变形协调条件，因此它可以比较有效的模拟诸如大变 形、非线性以及多物理场作用下颗粒材料的复杂运动学和力学特性。 ( 2 ) 各分析方法的特点【3 3 】 基于连续介质力学的数值模拟的有限元法和有限差分法是计算流体力学和材料 力学中两种重要的数值方法。它们在理论上系统成熟，应用广泛且有效，因此在早期 将它们用于模拟颗粒体的流动行为时适用的，但应用于颗粒体行为时，存在两个不容 忽视的问题，需对其进一步发展和完善。 第一、由于缺乏颗粒体力学知识，用有限差分法和有限元法描述颗粒体行为的力 学方程式必需的，这些方程包括：( 1 ) 应力平衡方程式；( 2 ) 合适的初始条件和边界 条件；( 3 ) 本构关系式或状态方程式。把颗粒体层假设为连续性物质能够获得比较简 单的应力平衡方程式，辅以适当的条件式，以及各计算机单元变形之和等于整体变形 的几何变形协调条件式，不存在任何问题。问题在于( 3 ) 中的本构关系式或状态方 程式，涉及拥有各种粒子密度、粒径及其分布、粒子间的相互作用力、粒子形状、表 面特征等多个参数的颗粒群以及在各种环境条件与之相适应的应力应变关系，加之 粒子的聚集状体和压力的关系等问题的具体描述，一般而言，获得这些复杂的关系式 是相当困难的。 第二、料层原本是离散的固体颗粒群的集合体，满足连续性假定条件的情况往往 8 济南大学硕十学位论文 较少，加之依据连续性假定所得到的情报均是及其宏观的量，不能达到预测的颗粒体 现象所期望的精度。尽管如此，根据有限差分法或者有限元法进行有效的数值模拟的 场合还是存在的，例如，颗粒体压缩后所导致的内部应力分布规律的推算，微细粉体 密实填充压缩成型过程中不存在大变形的场合，可以构建适当的本构方程式，用有限 元法进行求解，多数情况下也可以得到符合实际的模拟计算结果。应用有限元思想对 料层挤压过程进行分析的基本思想是把整个研究对象划分成一些微小的单元，先对每 个单元进行处理，最后在通过几何连续等条件把各个单元组合起来得到原结构问题的 解。 离散单元法的基本思想虽然和有限单元法有些类似，也是将整个研究区域划分成 许多微小的单元，在进行求解。但它们之间最明显的区别就是离散单元法一般不要求 各个单元之间满足几何连续条件，在以后的运动过程中，单元节点可以分离，即一个 单元与其邻近单元可以接触，也可以分离。d e m ( 离散元) 的数值模拟技术是为颗粒 流模拟而发展的，不像连续的数值方法如有限元方法，有限元体积方法等，d e m 没 有涉及综合的连续介质运动，相反在模拟系统的过程中，模拟过程是针对每个颗粒实 体的运动【3 。用这种方法，需要了解模拟过程中颗粒每刻运动的情况。通过对d e m 颗粒空间和时间的平均运动参数来获得连续参数( 容积密度、颗粒平均速度等) 。因 此在这个方面上，d e m 模拟比连续模拟技术更接近实验的情况。 ( 3 ) 模拟分析工具 随着科学技术的飞速发展，离散元原理和计算方法r 趋成熟。此外计算机技术的 日益提高，使得离散元应用越来越广，目前已广泛应用于岩土工程及水利水电工程等。 但由于辊压机运动时的复杂性，将它应用于这类机械的研究中尚不多见。美国r a s c a 公司开发了基于p f c ( p a r t i c l ef l o wc o d e ) 程序的，为类岩土材料和粒状系统设计的 2 d 3 d 微观力学离散元分析软件p f c 2 d p f c 3 d ，p f c 是高级非连续介质程序，适用 于处理岩土体工程中结构开裂、堆石材料特性和稳定性、矿山崩落开采、边坡解体、 爆破冲击等一系列问题，但是p f c 不能直接给模型介质“赋”物理力学参数和初始 地应力条件，所有这些都必须通过不断调整构成模型介质的基本粒子级配组成、接触 方式和相应的微力学参数实现并且前处理相对复杂。 基于d e m ( d i s c r e t ee l e m e n tm e t h o d ) 的原理，英国d e ms o l u t i o n s 公司已经开 发出离散元软件e d e m ，实现了离散元的三维可视功能，并且能够实现导入真实颗粒 的c a d 模型，准确描述它们的形状及添加力学性质、物料性质和其它物理性质来建 9 辊压机料层挤压中的颗粒行为研究 立颗粒模型。成立于2 0 0 2 年总部设在英国爱丁堡的d e ms o l u t i o n s 公司是全球领先 的颗粒力学模拟软件和技术的供应商，它始于爱丁堡大学和纽卡斯尔大学的研发中 心。公司的顾问团队有超过十年的颗粒力学模拟经验，通过模拟和分析颗粒尺度现象， 公司和用户合作解决设计和生产问题。在对工业过程进行颗粒尺度的描述、建模和分 析方面，提供了世界一流的技术。 1 3 本文研究的主要内容 本文的研究工作源于“十一五 国家科技支撑计划重点项目：绿色建筑材料制造 与装备大型粉末设备粉磨技术的研究及装备开发( 项目编号：2 0 0 6 b a f 0 2 a 2 4 ) ( 1 ) 料层挤压中颗粒力学模型构建 利用离散单元法思想建立颗粒接触力的数学模型，得到颗粒之间的作用力计算公 式，运用三维造型软件s o l i dw o r k s 和离散元软件e d e m 建立起颗粒力学的仿真模型。 ( 2 ) 基于e d e m 的辊压机工作参数优化 确定影响颗粒行为的辊压机工作参数，综合各个因素运用e d e m 模拟仿真料层 挤压过程中颗粒行为，得到各个参数下最大压力，用正交试验设计法对结果进行分析， 获得影响颗粒受到最大压力的主次因素及最优参数，以及不同参数下最大压力的变化 规律。 ( 3 ) 料层挤压中颗粒力学模拟 采用研究得到的最优参数，运用e d e m 对料层挤压流场颗粒行为进行模拟，得 到流场中颗粒受力情况及其法向力和切向力受力随时问的变化规律，颗粒接触力的力 链分布，颗粒运动速度随时间的变化规律，进一步丰富和完善料层挤压理论。 ( 4 ) 颗粒微观特征对机架影响及优化 颗粒及工作参数的变化对压辊应力分布的动态影响，直接影响到辊压机整体结构 的稳定性，对机架结构进行静态、动态的有限元分析并且进行结构优化，揭示颗粒对 外部宏观形态即机架振动及应力分布规律，提高辊压机产品质量与可靠性。 l o 济南大学硕f ：学位论文 第二章料层挤压中的颗粒力学模型构建 辊压机基本原理的是料层粉碎理论。料层粉碎是指众多颗粒聚集、接触所形成的 颗粒群受