CN103983547B - 一种细长金属管粉料夯实过程粉料颗粒尺度的划分方法 - Google Patents

一种细长金属管粉料夯实过程粉料颗粒尺度的划分方法 Download PDF

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Abstract

本发明提供了一种细长金属管粉料夯实过程粉料颗粒尺度的划分方法，属于离散元颗粒仿真技术领域。该方法包括以下步骤，S1：建立细长金属管粉料颗粒的离散元仿真模型；S2：对细长金属管粉料夯实过程进行模拟仿真；S3：观察并分析细长金属管粉料夯实过程粉料颗粒体系的孔隙度分布特点；S4：确定细长金属管粉料夯实过程粉料颗粒的尺度划分依据，并按该划分依据进行粉料颗粒的尺度划分。本发明能够准确重现细长金属管粉料夯实过程粉料颗粒的特征分布特点，并在空间上实现粉料颗粒的尺度划分；对细长金属管粉料夯实过程粉料颗粒的运动特征有了较为细致的表达和描述，能够为进一步建立夯实过程粉料颗粒的运动模型奠定基础。

Description

一种细长金属管粉料夯实过程粉料颗粒尺度的划分方法
技术领域
本发明涉及离散元颗粒仿真技术领域，尤其涉及一种细长金属管粉料夯实过程粉料颗粒尺度的划分方法。
背景技术
细长金属管粉料夯实指的是将装有粉料颗粒的金属管反复进行自由落体撞击地面，在这个过程中，金属管内部的粉料颗粒在自身的重力及上部粉料颗粒的压力下下落，最后达到粉料颗粒密实度不断提高的过程。细长金属管粉料的夯实过程可以通过构建离散元模型进行模拟，通过模拟仿真，从而观察细长金属管内部粉料颗粒的运动过程及其密度、均匀度。为了使粉料颗粒具有更好的密实度就涉及到粉料颗粒的尺度划分方法，就是能够准确重现细长金属管粉料夯实过程粉料颗粒的特征分布特点，并在空间上实现粉料颗粒尺度划分的一种方法。
但是目前针对细长金属管粉料颗粒装填的研究均局限于工艺分析和实例实验研究，没有针对粉料颗粒模型的分析与内部运动特征的研究。因此就不能获得较为准确的反映细长金属管粉料夯实过程粉料颗粒的运动情况和堆积情况数据，也不能够将特征相同或接近的粉料颗粒划分到同一个尺度下，不能为后续夯实过程粉料颗粒运动模型的建立奠定基础。
发明内容
本发明的目的在于克服上述不足，提供一种细长金属管粉料夯实过程粉料颗粒的尺度划分方法，通过分析细长金属管粉料夯实过程粉料颗粒的参数分布特征，并根据该分布特征来进行粉料颗粒的尺度划分。
一种细长金属管粉料夯实过程粉料颗粒尺度的划分方法，包括以下步骤：
S1：建立细长金属管粉料颗粒的离散元仿真模型；
S2：对细长金属管粉料夯实过程进行模拟仿真；
S3：观察并分析细长金属管粉料夯实过程粉料颗粒体系的孔隙度分布特点；
S4：确定细长金属管粉料夯实过程粉料颗粒的尺度划分依据，并按该划分依据进行粉料颗粒的尺度划分。
进一步的，步骤S1中所述建立细长金属管粉料颗粒的离散元仿真模型的过程包括以下步骤：
S11：对细长金属管及粉料颗粒参数进行测量与标定，需要测量与标定的参数包括细长金属管半径、粉料颗粒半径、粉料颗粒外摩擦系数、粉料颗粒内摩擦系数、粉料颗粒剪切模量、粉料颗粒泊松比、粉料颗粒切向刚度系数、粉料颗粒法相刚度系数，并将这些参数用作仿真模型的参数；
S12：生成仿真模型边界，包括周向壁面和底面；
S13：生成模拟粉料颗粒的仿真球体；
S14：设定粉料颗粒的重力加速度，使其模拟在重力作用下的自然堆积状态，作为夯实过程的初始状态。
进一步的，步骤S2中所述细长金属管粉料夯实过程的模拟仿真通过如下的方式来实现：
将夯实作用力等价为粉体颗粒整体向下运动的一个初速度，并在夯实作用后金属管的速度减为零，粉体颗粒在初速度的作用下相互挤压直至达到平衡状态，从而实现了一次夯实作用的模拟。
进一步的，步骤S2中所述对细长金属管粉料夯实过程的模拟仿真的具体步骤如下：
S21：根据夯实过程所施加的夯实作用力的大小，确定粉料夯实作用下粉体颗粒的初速度；
S22：将初速度赋予粉体颗粒，并让仿真程序执行计算，实现夯实作用的等价；
S23：让仿真程序执行计算直至粉体颗粒达到新的平衡状态，粉体颗粒速度减为零；
S24：步骤S21～S23完成了一次夯实作用的模拟仿真，重复执行S21～S23，实现多次夯实作用的模拟仿真。
进一步的，步骤S3中所述的分析细长金属管粉料夯实过程粉料颗粒体系的孔隙度分布特点采用如下方法：
对细长金属管内的粉料颗粒取多个平行的截面，分别取多个所述金属管横截面中心对称位置上的粉料颗粒作为测量元，检测夯实开始到结束过程中多个状态下所有测量元附近的孔隙度变化情况，并将各个状态的孔隙度分布情况进行绘制，得到细长金属管粉料夯实过程粉料颗粒的孔隙度分布特点。
进一步的，步骤S4具体包括如下步骤：
S41：分析各个状态下每个横截面上的测量元附近的孔隙度关系；
S42：分析各个状态下各个横截面之间的测量元附近的孔隙度关系；
S43：将孔隙度值较为接近的横截面层划分到同一个尺度下，通过边界的确定将粉料颗粒划分为多个细观尺度层，从而实现粉料颗粒的尺度划分，各个并行的细观尺度内部粉料颗粒特征分布一致或较为接近。
本发明的优点在于：能够准确重现细长金属管粉料夯实过程粉料颗粒的特征分布特点，并在空间上实现粉料颗粒的尺度划分；对细长金属管粉料夯实过程粉料颗粒的运动特征有了较为细致的表达和描述，能够为进一步建立夯实过程粉料颗粒的运动模型奠定基础。
本发明的其它优点、目标和特征在某种程度上将在随后的说明书中进行阐述，并且在某种程度上，基于对下文的考察研究对本领域技术人员而言将是显而易见的，或者可以从本发明的实践中得到教导。
附图说明
为了使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合附图对本发明作进一步的详细描述，其中：
图1为细长金属管粉料夯实过程粉料颗粒尺度的划分方法的流程图；
图2为离散元仿真软件生成的细长金属管粉料夯实模拟的边界；
图3为离散元仿真软件下模拟的粉料颗粒在细长金属管中的自然堆积状态；
图4为离散元仿真软件下模拟的一次夯实过程完成后粉料颗粒在细长金属管中的堆积状态；
图5为细长金属管一次夯实模拟过程中某粉料颗粒测量层上四个测量元周围的孔隙度值变化曲线；
图6为细长金属管中粉料自然堆积状态下粉料颗粒的孔隙度值分布；
图7为细长金属管中粉料夯实一次完成后的状态下粉料颗粒的孔隙度值分布；
图8为细长金属管中粉料夯实三次完成后的状态下粉料颗粒的孔隙度值分布；
图9为细长金属管中粉料夯实十次完成后的状态下粉料颗粒的孔隙度值分布；
图10为细长金属管粉料夯实过程粉料颗粒尺度划分示意图。
具体实施方式
以下将结合附图，对本发明的优选实施例进行详细的描述；应当理解，优选实施例仅为了说明本发明，而不是为了限制本发明的保护范围。
图1为细长金属管粉料夯实过程粉料颗粒尺度的划分方法的流程图，参照图1，本发明一种细长金属管粉料夯实过程粉料颗粒尺度的划分方法，包括以下步骤：
S1：建立细长金属管粉料颗粒的离散元仿真模型；
S2：对细长金属管粉料夯实过程进行模拟仿真；
S3：观察并分析细长金属管粉料夯实过程粉料颗粒体系的孔隙度分布特点；
S4：确定细长金属管粉料夯实过程粉料颗粒的尺度划分依据，并按该划分依据进行粉料颗粒的尺度划分。
所述步骤S1中建立细长金属管粉料颗粒的离散元仿真模型的过程包括以下步骤：
S11：对细长金属管及粉料颗粒参数进行测量与标定，需要测量与标定的参数包括细长金属管半径、粉料颗粒半径、粉料颗粒外摩擦系数、粉料颗粒内摩擦系数、粉料颗粒剪切模量、粉料颗粒泊松比、粉料颗粒切向刚度系数、粉料颗粒法相刚度系数，并将这些参数用作仿真模型的参数；
图2为离散元仿真软件生成的细长金属管粉料夯实模拟的边界，如图2所示，S12：生成仿真模型边界，包括周向壁面和底面；
S13：生成模拟粉料颗粒的仿真球体；
图3为离散元仿真软件下模拟的粉料颗粒在细长金属管中的自然堆积状态，如图3所示，S14：设定粉料颗粒的重力加速度，使其模拟在重力作用下的自然堆积状态，作为夯实过程的初始状态。
仿真模型中生成的细长金属管和粉料颗粒，其相关参数分别取为：
仿真球体半径(Rad)＝0.001m；
仿真球体法向刚度系数(kn)＝1.0×103N/m；
仿真球体切向刚度系数(ks)＝1.0×103N/m；
仿真球体密度(dens)＝1.0×102kg/m3；
仿真球体泊松比(poiss)＝0.1；
仿真球体剪切模量(shear)＝8.0×103N/m；
仿真球体摩擦系数(fric)＝0.5。
步骤S2所述中细长金属管粉料夯实过程的模拟仿真通过如下的方式来实现：
将夯实作用力等价为粉体颗粒整体向下运动的一个初速度，并在夯实作用后金属管的速度减为零，粉体颗粒在初速度的作用下相互挤压直至达到平衡状态，从而实现了一次夯实作用的模拟。
图4为离散元仿真软件下模拟的一次夯实过程完成后粉料颗粒在细长金属管中的堆积状态，参照图4，步骤S2中所述对细长金属管粉料夯实过程的模拟仿真的具体步骤如下：
S21：根据夯实过程所施加的夯实作用力的大小，确定粉料夯实作用下粉体颗粒的初速度；
S22：将初速度赋予粉体颗粒，并让仿真程序执行计算，实现夯实作用的等价；
S23：让仿真程序执行计算直至粉体颗粒达到新的平衡状态，粉体颗粒速度减为零；
S24：步骤S21～S23完成了一次夯实作用的模拟仿真，重复执行S21～S23，实现多次夯实作用的模拟仿真。
步骤S3中所述的分析细长金属管粉料夯实过程粉料颗粒体系的孔隙度分布特点采用如下方法：
图5为细长金属管一次夯实模拟过程中某粉料颗粒测量层上四个测量元周围的孔隙度值变化曲线，参照图5，对细长金属管内的粉料颗粒取多个平行的截面，分别取多个所述金属管横截面中心对称位置上的粉料颗粒作为测量元，检测夯实开始到结束过程中多个状态下所有测量元附近的孔隙度变化情况，并将各个状态的孔隙度分布情况进行绘制；图6为细长金属管中粉料自然堆积状态下粉料颗粒的孔隙度值分布；图7为细长金属管中粉料夯实一次完成后的状态下粉料颗粒的孔隙度值分布；图8为细长金属管中粉料夯实三次完成后的状态下粉料颗粒的孔隙度值分布；图9为细长金属管中粉料夯实十次完成后的状态下粉料颗粒的孔隙度值分布；根据孔隙度值分布的数据就可以得到细长金属管粉料夯实过程粉料颗粒的孔隙度分布特点。
步骤S4具体包括如下三个步骤：
S41：分析各个状态下每个横截面上的测量元附近的孔隙度关系；参照图5，可以看出一次夯实完毕后各个测量元附近的孔隙度值均趋于稳定；
S42：分析各个状态下各个横截面之间的测量元附近的孔隙度关系；参照图5、6、7和8，可见各个测量层内部各测量元的孔隙度值差异不大，因此将各个阶段各个测量层的孔隙度值取平均值分析测量层与测量层之间的孔隙度关系，如表1所示；
表1各阶段各个测量层孔隙度平均值比较
S43：将孔隙度值较为接近的横截面层划分到同一个尺度下，通过边界的确定将粉料颗粒划分为多个细观尺度层，从而实现粉料颗粒的尺度划分，各个并行的细观尺度内部粉料颗粒特征分布一致或较为接近。
图10为细长金属管粉料夯实过程粉料颗粒尺度划分示意图，分层关系分别为：重力作用下的颗粒自然堆积分层关系通过下面的关系式来确定：
εmin＜ε1＜0.4εmax
0.4εmax≤ε2≤0.5εmax
0.5εmax＜ε3≤εmax
式中，εmax为重力作用自然堆积状态下颗粒体系的局部最大孔隙度、εmin为重力作用自然堆积状态下颗粒体系的局部最小孔隙度，ε1、ε2、ε3分别为划分的从底端到顶端的三层颗粒层的局部孔隙度。
夯实作用后的颗粒分层关系通过下面的关系式来确定：
εminh＜ε1h＜0.1εmaxh
0.1εmaxh≤ε2h≤0.5εmaxh
0.5εmaxh＜ε3h≤εmaxh
式中，εmaxh为夯实作用后颗粒体系的局部最大孔隙度、εminh为夯实作用后颗粒体系的局部最小孔隙度，ε1h、ε2h、ε3h分别为此刻划分的从底端到顶端的三层颗粒层的局部孔隙度。
最后说明的是，以上实施例仅用以说明本发明的技术方案而非限制，尽管参照较佳实施例对本发明进行了详细说明，本领域的普通技术人员应当理解，可以对本发明的技术方案进行修改或者等同替换，而不脱离本技术方案的宗旨和范围，其均应涵盖在本发明的权利要求范围当中。

Claims (3)

1.一种细长金属管粉料夯实过程粉料颗粒尺度的划分方法，其特征在于，包括以下步骤：
S1：建立细长金属管粉料颗粒的离散元仿真模型；
S2：对细长金属管粉料夯实过程进行模拟仿真；
S3：观察并分析细长金属管粉料夯实过程粉料颗粒体系的孔隙度分布特点；
S4：确定细长金属管粉料夯实过程粉料颗粒的尺度划分依据，并按该划分依据进行粉料颗粒的尺度划分；
步骤S1中所述建立细长金属管粉料颗粒的离散元仿真模型的过程包括以下步骤：
S11：对细长金属管及粉料颗粒参数进行测量与标定，需要测量与标定的参数包括细长金属管半径、粉料颗粒半径、粉料颗粒外摩擦系数、粉料颗粒内摩擦系数、粉料颗粒剪切模量、粉料颗粒泊松比、粉料颗粒切向刚度系数、粉料颗粒法相刚度系数，并将这些参数用作仿真模型的参数；
S12：生成仿真模型边界，包括周向壁面和底面；
S13：生成模拟粉料颗粒的仿真球体；
S14：设定粉料颗粒的重力加速度，使其模拟在重力作用下的自然堆积状态，作为夯实过程的初始状态；
步骤S2中所述细长金属管粉料夯实过程的模拟仿真通过如下的方式来实现：
将夯实作用力等价为粉体颗粒整体向下运动的一个初速度，并在夯实作用后金属管的速度减为零，粉体颗粒在初速度的作用下相互挤压直至达到平衡状态，从而实现了一次夯实作用的模拟。
2.根据权利要求1所述的一种细长金属管粉料夯实过程粉料颗粒尺度的划分方法，其特征在于：步骤S2中所述对细长金属管粉料夯实过程的模拟仿真的具体步骤如下：
S21：根据夯实过程所施加的夯实作用力的大小，确定粉料夯实作用下粉体颗粒的初速度；
S22：将初速度赋予粉体颗粒，并让仿真程序执行计算，实现夯实作用的等价；
S23：让仿真程序执行计算直至粉体颗粒达到新的平衡状态，粉体颗粒速度减为零；
S24：步骤S21～S23完成了一次夯实作用的模拟仿真，重复执行S21～S23，实现多次夯实作用的模拟仿真。
3.根据权利要求1所述的一种细长金属管粉料夯实过程粉料颗粒尺度的划分方法，其特征在于，步骤S3中所述的分析细长金属管粉料夯实过程粉料颗粒体系的孔隙度分布特点采用如下方法：
对细长金属管内的粉料颗粒取多个平行的截面，分别取多个所述金属管横截面中心对称位置上的粉料颗粒作为测量元，检测夯实开始到结束过程中多个状态下所有测量元附近的孔隙度变化情况，并将各个状态的孔隙度分布情况进行绘制，得到细长金属管粉料夯实过程粉料颗粒的孔隙度分布特点。
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