CN104615833B - 斗轮机挖掘取料切削阻力时间历程仿真模型的创建方法 - Google Patents
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Abstract
本发明提供了一种斗轮机挖掘取料切削阻力时间历程仿真模型的创建方法，包括建造料堆模型、建造铲斗有限单元模型、将料堆模型与铲斗有限单元模型组合的步骤，本发明首次采用球体颗粒单元与有限单元相耦合创建仿真模型，提供仿真削阻力时间历程所需的模型数据。
Description
技术领域
本发明涉及设计分析新型仿真建模技术领域，特别地，涉及一种斗轮机挖掘取料切削阻力时间历程仿真模型的创建方法。
背景技术
斗轮机的设计制造以及理论研究已有100多年历史。这期间，德国学者研究了斗轮机的切削阻力系数与岩石性质之间的关系；前苏联学者提出动载荷的经验公式、挖掘物料黏性与切割力的关系式；我国斗轮机设计通常采用切割阻力系数计算平均切削阻力。这些相关的阻力计算模型建立的方法与公式都与时间变量无关，无法得到时间-载荷历程关系。
人们试图描述斗轮机取料切削阻力时间历程，用以指导设计。困难在于：斗轮挖掘散料时，料堆受力复杂多变，与铲斗的形状、斗齿的布置、切削位置、切削深度、物料性质、切割速度、斗轮的倾角以及工况等等都有关系。由于技术手段的局限，至今尚未见到与工程实际相符的切削阻力仿真模型构建方法。
发明内容
本发明目的在于提供一种斗轮机挖掘取料切削阻力时间历程仿真模型的创建方法，以解决斗轮挖掘散料过程无法使用计算机模型进行仿真的技术问题。
为实现上述目的，本发明提供了一种斗轮机挖掘取料切削阻力时间历程仿真模型的创建方法，包括以下步骤：
A、建造料堆模型：
A1、根据实际料堆的堆积角，确定料堆模型的观堆积体，所述观堆积体由标准几何体组合而成，所述标准几何体的单位为圆球形颗粒单元；
A2、将料堆模型纳入空间直角坐标系，X方向为竖直面的水平方向，Y方向为竖直面的竖直方向，Z方向为垂直竖直面的深度方向，以料堆模型的X、Y、Z坐标方向的尺寸分别为Lx、Ly与Lz，圆球形颗粒单元的半径为R；
则X方向的颗粒单元的个数为
Y方向的颗粒单元的个数为
Z方向的颗粒单元的个数为
则模型颗粒总数N＝Offn+Nx*Ny*Nz-Nw；第i颗粒的坐标Xi＝Offx+Xc，Yi＝Offy+Yc,Zi＝Offz+Zc，i＝1、2、3...N；其中Offx、Offy、Offz为颗粒坐标偏移值，Xc、Yc、Zc为颗粒中心的坐标值，Nw为料堆边界之外的颗粒数，Offn为颗粒数量偏移值；
B、建造铲斗有限单元模型：
B1、取铲斗切削过程中的一个取料时刻作为建模状态；
B2、提取有关挡料板、斗轮体、铲斗形状与斗齿的布置实际尺寸信息，建立铲斗模型；
C、将料堆模型与铲斗有限单元模型组合：
C1、建立一个定位坐标原点，依据斗轮机工作时铲斗切削物料的技术要求，确定料堆模型的圆球颗粒与铲斗模型运动的圆周方向、法线方向与侧向方向的初始位置及边界条件，使得颗粒中心点与单元面接触耦合；
C2、以斗轮轴为转动轴定义一旋转定位矢量，确保铲斗转动轨迹正确；
C3、计算颗粒单元间的摩擦系数μ，μ＝tan(φ)，φ为摩擦角，φ＝堆积角*(0.65—0.75)；物料颗粒单元与铲斗单元面的滑动摩擦系数取μ的1-2倍，滚动摩擦系数取μg＝μ/(5-15)的1-2倍。
优选地，步骤A2所述将料堆模型纳入空间直角坐标系为：
a、按照Y、X、Z方向的顺序依次扫描料堆模型，
建立颗粒单元中心坐标值(Xc，Yc，Zc)；而扫描得到的颗粒单元数量M＝i*j*k，当A2中的Offn＝0时，M大于或等于模型颗粒总数N；当Offn大于0时，M小于N。
b、利用标准几何体空间边界面数学方程的约束表达式去除物料堆之外的颗粒。
优选地，步骤C1所述颗粒中心点与单元面接触耦合为：
设颗粒G与铲斗的一单元面Sm接触，其颗粒中心点法向接触力为与颗粒的位置、单元面Sm的几何形状和材料常数有关，耦合表达式为:
式中Km,Lm,Am分别为单元面Sm的体积弹性模量、对角线长度与表面积；l为颗粒G中心到单元面Sm接触点连线矢量；nm为单元面Sm接触点的法向矢量。
优选地，单元面Sm包含的4个节点与颗粒G的接触力耦合的计算式为：
f1＝0.25(1+ξc)(1+ηc)fG
f2＝0.25(1-ξc)(1+ηc)fG
f3＝0.25(1-ξc)(1-ηc)fG
f4＝0.25(1+ξc)(1-ηc)fG
ξc,ηc为接触点的局部坐标值。
优选地，步骤A1所述的标准几何体包括四棱锥、四棱台、球体、半球体、圆柱体、圆锥体和方形六面体。
本发明具有以下有益效果：
本发明首次采用球体颗粒单元与有限单元相耦合创建仿真模型，提供仿真削阻力时间历程所需的模型数据。
该建模方法的创新点在于：
(1)根据料场物料的堆积角，用四棱锥、四棱台、球体、半球体、圆柱体、圆锥体和方形六面体等标准几何体确定三维空间物料堆积体的最大尺数值(长、宽、高)，为建立符合实际料堆几何形状的仿真模型提供关键参数。
(2)对于尺寸纷杂的物料(铁矿石、煤等)颗粒度用圆球体颗粒模拟，对料场堆积的物料采用交错颗粒阵列分布，以减少空隙率。颗粒交错分布，其1个空隙体积仅为矩阵排列堆积1个空隙体积的33％。当物料堆积体积(V)一定时，颗粒堆积的空隙体积(V0)，其空隙体积率＝V0/V*100％。对于颗粒半径为10mm--100mm，交错堆积1m3体积的料堆，空隙体积率为27％-32％，而矩阵排列堆积的空隙体积率为47.6％。本发明采用颗粒交错堆积方式，空隙体积率将减少15％-20％，更符合实际情况。
(3)根据(2)中的参数值，将实际料堆几何形状纳入空间直角坐标系，并算得料堆模型在X、Y、Z三个方向的颗粒个数；根据料堆物料的堆积密度，确定颗粒单元的体积、质量、转动惯量。按照X、Z、Y方向的顺序依次扫描料堆模型，建立颗粒单元中心坐标(X，Y，Z)，利用标准几何体空间边界面数学方程的约束表达式去除物料堆之外的颗粒，从而创建仿真物料料堆形状的1，2，3...N个颗粒堆积体。
(4)将物料堆的圆球颗粒模型与铲斗有限单元模型组合：建立一个定位坐标原点，依据斗轮工作时切削物料的倾角、切削深度、工况位置等技术要求，确定物料堆的圆球颗粒与铲斗单元的圆周方向、法线方向与侧向方向的初始位置及边界条件；以斗轮轴为转动轴定义一旋转定位矢量，确保铲斗转动轨迹正确，符合实际工作状态。
物料颗粒与场地平面用“接触壁面边界条件”处理，即物料颗粒与场地面之间滑动与滚动位移很小，其滑动摩擦系数与滚动摩擦系数分别取μ、μG的1--2倍，但必须小于1.0。
物料颗粒与铲斗用“颗粒中心点与单元面接触耦合”进行连接。
将本申请仿真模型的信息数据由二进制文本文件输出，提供给相关数据分析软件使用，为仿真数据的得出建立数据基础。
除了上面所描述的目的、特征和优点之外，本发明还有其它的目的、特征和优点。下面将参照图，对本发明作进一步详细的说明。
附图说明
构成本申请的一部分的附图用来提供对本发明的进一步理解，本发明的示意性实施例及其说明用于解释本发明，并不构成对本发明的不当限定。在附图中：
图1是本发明优选实施例的料堆模型示意图；
图2是本发明优选实施例的铲斗有限单元模型示意图；
图3是本发明优选实施例的料堆模型与铲斗有限单元模型的组合示意图。
具体实施方式
以下结合附图对本发明的实施例进行详细说明，但是本发明可以根据权利要求限定和覆盖的多种不同方式实施。
参见图1、图2和图3，本申请公开了一种斗轮机挖掘取料切削阻力时间历程仿真模型的创建方法，包括以下步骤：
A、建造料堆模型：
A1、根据实际料堆的堆积角，确定料堆模型的观堆积体，所述观堆积体由标准几何体组合而成，所述标准几何体的单位为圆球形颗粒单元。标准几何体可以包括四棱锥、四棱台、球体、半球体、圆柱体、圆锥体和方形六面体等。
A2、将料堆模型纳入空间直角坐标系，X方向为竖直面的水平方向，Y方向为竖直面的竖直方向，Z方向为垂直竖直面的深度方向，以料堆模型的X、Y、Z坐标方向的尺寸分别为Lx、Ly与Lz，圆球形颗粒单元的半径为R；
则X方向的颗粒单元的个数为
Y方向的颗粒单元的个数为
Z方向的颗粒单元的个数为
则模型颗粒总数N＝Offn+Nx*Ny*Nz-Nw；第i颗粒的坐标Xi＝Offx+Xc，Yi＝Offy+Yc,Zi＝Offz+Zc，i＝1、2、3...N；其中Offx、Offy、Offz为颗粒坐标偏移值，Xc、Yc、Zc为颗粒中心的坐标值，Nw为料堆边界之外的颗粒数，Offn为颗粒数量偏移值。
将料堆模型纳入空间直角坐标系的过程可以为：按照X、Z、Y方向的顺序依次扫描料堆模型，建立颗粒单元中心坐标(X，Y，Z)；而扫描得到的颗粒单元数量M＝i*j*k，所述颗粒单元数量M大于模型颗粒总数N；利用标准几何体空间边界面数学方程的约束表达式去除物料堆之外的颗粒。
A3、颗粒单元间的滑动摩擦系数为μ＝tan(φ)，φ为摩擦角，φ＝堆积角*(0.65—0.75)；
B、建造铲斗有限单元模型：
B1、取铲斗切削过程中的一个取料时刻作为建模状态；
B2、提取有关挡料板、斗轮体、铲斗形状与斗齿的布置实际尺寸信息，建立铲斗模型；
C、将料堆模型与铲斗有限单元模型组合：
C1、建立一个定位坐标原点，依据斗轮机工作时铲斗切削物料的技术要求，确定料堆模型的圆球颗粒与铲斗模型运动的圆周方向、法线方向与侧向方向的初始位置及边界条件，使得颗粒中心点与单元面接触耦合。
颗粒中心点与单元面接触耦合的具体过程可以为：
设颗粒G与铲斗的一单元面Sm接触，其颗粒中心点法向接触力为fG与颗粒的位置、单元面Sm的几何形状和材料常数有关，耦合表达式为:
式中Km,Lm,Am分别为单元面Sm的体积弹性模量、对角线长度与表面积；l为颗粒G中心到单元面Sm接触点连线矢量；nm为单元面Sm接触点的法向矢量。
C2、以斗轮轴为转动轴定义一旋转定位矢量，确保铲斗转动轨迹正确；
C3、计算颗粒单元间的摩擦系数μ，μ＝tan(φ)，φ为摩擦角，φ＝堆积角*(0.65—0.75)；物料颗粒单元与铲斗单元面的滑动摩擦系数取μ的1-2倍，滚动摩擦系数取μg＝μ/(5-15)的1-2倍。
具体实施例如下：
1)确定实际料堆几何形状及参数
以一料场的矿石物料堆为四棱锥台形状，其堆积角为42度；下底面长度＝5.5m、宽度＝3.6m；对应的上顶面长度＝1.4m、宽度＝2.4m；料堆高度＝2.8m。
取三维空间物料堆积体的最大尺数值：长＝5.5m、宽＝3.6m、高＝2.8m。
2)将料堆模型纳入空间直角坐标系，依据2.a的约定，料堆模型的X、Y、Z坐标方向的建模尺寸：
Lx＝3.6m、Ly＝2.8m、Lz＝5.5m，圆球形颗粒单元的半径为R＝0.075m；
X方向的颗粒单元的个数为
Y方向的颗粒单元的个数为
Z方向的颗粒单元的个数为
3)由Nx，Ny、Nz为控制，建立一个Nx*Ny*Nz＝46656个颗粒堆积的立方体模型。
4)分别建立料堆四棱锥台的4个侧面边界面数学方程式。
5)利用4)四棱锥台料堆空间侧面边界面数学方程作为限定约束，去除物料堆侧面边界之外的颗粒。其方法是：扫描计算判断四棱锥台料堆侧面边界之外的颗粒中心坐标值。用VB高级编程语言实现该扫描过程表示如下：
For i ＝ 1 To Ny
For j＝ 1 To Nx
For k ＝ 1 To Nz
依据4)的方程式扫描计算判断四棱锥台料堆边界之外的颗粒中心坐标(Xc、Yc、Zc)；
如果(Xc、Yc、Zc)坐标值在四棱锥台包含的范围之内，则保留该颗粒；
如果(Xc、Yc、Zc)坐标值在四棱锥台包含的范围之外，则删除该颗粒数，并计算出料堆边界之外的颗粒数Nw；
Next k
Next j
Next i
6)设定颗粒数量偏移值Offn＝0；颗粒坐标偏移值Offx＝0、Offy＝0、Offz＝0。(注：这些偏移值可以根据建模者的方便任意确定，但不能小于0)。建立后的四棱锥台料堆颗粒模型如附图1。
7)堆积角＝42度，由A3摩擦角φ＝42*0.73＝30.66；颗粒单元间的滑动摩擦系数为μ＝tan(φ)＝0.6，滚动摩擦系数μG＝μ/12＝0.05。
8)矿石物料材料常数：密度＝2.2吨/立方米，弹性模量＝5069Mpa,泊松比＝0.28。
9)建造铲斗有限单元模型
按常规，在有关有限元建模软件如Hyper中建立有关挡料板、斗轮体、铲斗实际尺寸的模型，划分有限元壳单元模型，鉴于该过程较通用，方法略。处理后的模型如附图2。
10)在LS-Prepost中将料堆颗粒模型与铲斗有限单元模进行装配组合。首先建立一个定位坐标原点，依据斗轮机工作时铲斗切削物料的技术要求，进行模型的平移、转动操作，定位料堆的圆球颗粒模型与铲斗模型，满足运动的圆周方向、法线方向与侧向方向的初始位置；最终建立的轮机挖掘取料切削阻力时间历程仿真模型如附图3。
11)设定分析时间长4.5秒、旋转角速度；设定颗粒中心点与铲斗有限单元面按点—面接触耦合(即物料颗粒与铲斗的接触耦合)。
12)输出建立的切削阻力时间历程仿真模型数据文件：
本例数据文件名：MODEL.K。限于篇幅，其中省略部分用“..........”替代，文件的部分主要内容如下：(为了清楚，文件中添加了注释，在计算时应删除该注释内容)
该文件可提供相关软件(如LS DYNA)计算使用。
以上所述仅为本发明的优选实施例而已，并不用于限制本发明，对于本领域的技术人员来说，本发明可以有各种更改和变化。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。
Claims (5)
1.一种斗轮机挖掘取料切削阻力时间历程仿真模型的创建方法，其特征在于，包括以下步骤：
A、建造料堆模型：
A1、根据实际料堆的堆积角，确定料堆模型的观堆积体，所述观堆积体由标准几何体组合而成，所述标准几何体的单位为圆球形颗粒单元；
A2、将料堆模型纳入空间直角坐标系，X方向为竖直面的水平方向，Y方向为竖直面的竖直方向，Z方向为垂直竖直面的深度方向，以料堆模型的X、Y、Z坐标方向的尺寸分别为Lx、Ly与Lz，圆球形颗粒单元的半径为R；
则X方向的颗粒单元的个数为
Y方向的颗粒单元的个数为
Z方向的颗粒单元的个数为
则模型颗粒总数N＝Offn+Nx*Ny*Nz-Nw；第i颗粒的坐标Xi＝Offx+Xc，Yi＝Offy+Yc,Zi＝Offz+Zc，i＝1、2、3...N；其中Offx、Offy、Offz为颗粒坐标偏移值，Xc、Yc、Zc为颗粒中心的坐标值，Nw为料堆边界之外的颗粒数，Offn为颗粒数量偏移值；
B、建造铲斗有限单元模型：
B1、取铲斗切削过程中的一个取料时刻作为建模状态；
B2、提取有关挡料板、斗轮体、铲斗形状与斗齿的布置实际尺寸信息，建立铲斗模型；
C、将料堆模型与铲斗有限单元模型组合：
C1、建立一个定位坐标原点，依据斗轮机工作时铲斗切削物料的技术要求，确定料堆模型的圆球颗粒与铲斗模型运动的圆周方向、法线方向与侧向方向的初始位置及边界条件，使得颗粒中心点与单元面接触耦合；
C2、以斗轮轴为转动轴定义一旋转定位矢量，确保铲斗转动轨迹正确；
C3、计算颗粒单元间的摩擦系数μ，μ＝tan(φ)，φ为摩擦角，φ＝堆积角*0.73；物料颗粒单元与铲斗单元面的滑动摩擦系数取μ的1-2倍，滚动摩擦系数取μg＝μ/12的1-2倍。
2.根据权利要求1所述的创建方法，其特征在于，步骤A2所述将料堆模型纳入空间直角坐标系为：
a、按照Y、X、Z方向的顺序依次扫描料堆模型，
建立颗粒单元中心坐标值(Xc，Yc，Zc)；而扫描得到的颗粒单元数量M，当A2中的Offn＝0时，M大于或等于模型颗粒总数N；当Offn大于0时，M小于N；
b、利用标准几何体空间边界面数学方程的约束表达式去除物料堆之外的颗粒。
3.根据权利要求1所述的创建方法，其特征在于，步骤C1所述颗粒中心点与单元面接触耦合为：
设颗粒G与铲斗的一单元面Sm接触，其颗粒中心点法向接触力为fG与颗粒的位置、单元面Sm的几何形状和材料常数有关，耦合表达式为:
<mrow>
<msub>
<mi>f</mi>
<mi>G</mi>
</msub>
<mo>=</mo>
<mfrac>
<mrow>
<msub>
<mi>K</mi>
<mi>m</mi>
</msub>
<msub>
<mi>A</mi>
<mi>m</mi>
</msub>
</mrow>
<mrow>
<mn>10</mn>
<msub>
<mi>L</mi>
<mi>m</mi>
</msub>
</mrow>
</mfrac>
<mrow>
<mo>(</mo>
<mi>I</mi>
<mo>&CenterDot;</mo>
<msub>
<mi>n</mi>
<mi>m</mi>
</msub>
<mo>)</mo>
</mrow>
</mrow>
式中Km,Lm,Am分别为单元面Sm的体积弹性模量、对角线长度与表面积；l为颗粒G中心到单元面Sm接触点连线矢量；nm为单元面Sm接触点的法向矢量。
4.根据权利要求3所述的创建方法，其特征在于，单元面Sm包含的4个节点与颗粒G的接触力耦合的计算式为：
f1＝0.25(1+ξc)(1+ηc)fG
f2＝0.25(1-ξc)(1+ηc)fG
f3＝0.25(1-ξc)(1-ηc)fG
f4＝0.25(1+ξc)(1-ηc)fG
ξc,ηc为接触点的局部坐标值。
5.根据权利要求1所述的创建方法，其特征在于，步骤A1所述的标准几何体包括四棱锥、四棱台、球体、半球体、圆柱体、圆锥体和方形六面体。
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