CN109948275B - 一种基于cfd-dem耦合仿真的履带履刺结构优化计算方法 - Google Patents

一种基于cfd-dem耦合仿真的履带履刺结构优化计算方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种基于CFD‑DEM耦合仿真的履带履刺结构优化计算方法，其具体方法如下：(1)建立物理模型；(2)计算区域设置和网格划分；(3)在CFD‑DEM耦合中设置参数及边界条件；(4)进行耦合仿真，并获取固液两相对履带履刺的作用力；(5)进行履带履刺结构优化的分析。本发明通过对仿真计算结果后处理的分析，改变履带履刺结构参数(履刺高度、履刺厚度、履刺拔模角度以及履刺形式)，对履带履刺进行结构优化，从而提高履带车辆的挂钩牵引力(即土壤推力与行驶阻力之差)，改善履带车辆的通过性能。

Description

一种基于CFD-DEM耦合仿真的履带履刺结构优化计算方法
技术领域
本发明涉及履带履刺结构优化的计算方法，尤其涉及一种基于CFD-DEM耦合仿真的履带履刺结构优化计算方法。
背景技术
目前，履带车辆在非道路场合，尤其是山地、沟渠、沙漠等工况下有较好的通过性，对土壤的附着性能好，牵引效率也较高，在农业、林业、矿业等领域应用越来越广泛，而履带车辆在固相与液相共存的地面或沙地行驶，容易产生打滑，导致行驶性能变化复杂，通过性能较差，在履带车辆运输等方面，若能够预测出履带车辆在特殊工况下的通过能力，就可以利用履带车辆和地面的这些特性，选择最佳结构参数，传统的履带履刺结构设计与优化方法，需要通过大量实验获得数据，研究的周期长，成本的投入也比较高，目前商业化的仿真软件发展很成熟，仿真结果的精度也有很大提高，因此通过数值计算方法进行履带履刺研究具有重要意义。
发明内容
本发明的目的在于提供一种基于CFD-DEM耦合仿真的履带履刺结构优化计算方法，对履带履刺的结构进行优化设计，以改善履带车辆在固相与液相共存的地面或沙地行驶的性能。
本发明采用的技术方案为：一种基于CFD-DEM耦合仿真的履带履刺结构优化计算方法，其实施过程如下：
(1)建立物理模型，具体是建立履带履刺模型；
(2)建立计算区域模型并网格划分；
(3)参数设置，在CFD软件中设置液相，在DEM软件中设置固相；
(4)边界条件设置，具体如下：
(a)在DEM软件中固相颗粒堆积采用重力沉积法，并在上层颗粒某一坐标位置加载履带履刺模型，履带履刺在某一定载荷下与上层颗粒接触；
(b)根据雷诺数方程Re＝ρvD/μ，ρ-流体的密度，v-流体的平均流速，D-工件入口孔径，μ-流体的粘性系数，液相流动可以形成湍流状态，采用RNG k-ε湍流模型；
(c)入口边界设置：入口条件采用速度入口条件，入口速度垂直于进口边界面，重力方向与入口速度方向垂直；
(d)出口边界设置：液体相为不可压缩的流体，出口端与外界相通，故出口边界条件采用自由出流边界条件；
(e)履带履刺单独设置为壁面边界条件，并在求解时设置其运动速度，其他壁面条件采用标准壁面函数和无滑移壁面条件；
(f)选择欧拉-拉格朗日方法进行耦合，并在CFD-DEM耦合过程中，CFD软件中的时间步长为DEM软件中时间步长的整数倍；
(5)进行CFD-DEM耦合仿真，并获取固液两相对履带履刺的作用力；
(6)根据步骤(5)得到的仿真结果和以提高附着力的优化目标对履带履刺的结构进行优化分析，其优化步骤如下：
(a)指定某一种履带履刺的结构参数，建立模型并进行仿真，得到仿真结果；
(b)改变不同的结构参数，如履刺高度、履刺厚度、履刺拔模角度以及履刺形式，建立模型并进行仿真，得到仿真结果；
(c)对比结果，选取使履带履刺的附着力最大的一组结构参数作为最优方案，以所述最优方案对履带履刺的结构进行优化。
本发明的有益效果在于：通过基于CFD-DEM耦合仿真分析，改变履带履刺结构参数，实现履带履刺结构优化。
附图说明
图1为本发明的流程图
具体实施方式
一种基于CFD-DEM耦合仿真的履带履刺结构优化计算方法，包括如下步骤：
(1)建立物理模型：利用建模软件建立履带履刺模型，其具体尺寸参数为履带接地长为1000mm，履带宽度为300mm，履带厚度为30mm；
(2)建立计算区域模型并网格划分，计算域的几何模型大小为5000mm×1500mm×500mm，计算域网格采用结构化网格，网格最小尺寸为1mm，履带履刺均采用三角形网格，履带最大网格尺寸控制在5mm以内，履刺尺寸较小，网格尺寸控制在1mm以内；
(3)参数设置，在CFD软件中设置液相，在DEM软件中设置固相，液相为水，固相为沙石，并将沙石颗粒简化为球形，固相体积分数为80％，液相速度为1.5m/s；
(4)边界条件设置，具体如下：
(a)在DEM软件中固相颗粒堆积采用重力沉积法，并在上层颗粒某一坐标位置加载履带履刺模型，履带履刺在某一定载荷下与上层颗粒接触；
(b)根据雷诺数方程Re＝ρvD/μ，ρ-流体的密度，v-流体的平均流速，D-工件入口孔径，μ-流体的粘性系数，液相流动可以形成湍流状态，采用RNG k-ε湍流模型；
(c)入口边界设置：入口条件采用速度入口条件，入口速度垂直于进口边界面，重力方向与入口速度方向垂直；
(d)出口边界设置：液体相为不可压缩的流体，出口端与外界相通，故出口边界条件采用自由出流边界条件；
(e)履带履刺单独设置为壁面边界条件，并在求解时设置其运动速度，其他壁面条件采用标准壁面函数和无滑移壁面条件；
(f)选择欧拉-拉格朗日方法进行耦合，并在CFD-DEM耦合过程中，CFD软件中的时间步长为DEM软件中时间步长的整数倍；
(5)进行CFD-DEM耦合仿真，并获取固液两相对履带履刺的作用力；
(6)根据步骤(5)得到的仿真结果和以提高附着力的优化目标对履带履刺的结构进行优化分析，其优化步骤如下：
(a)指定某一种履带履刺的结构参数，建立模型并进行仿真，得到仿真结果；
(b)改变不同的结构参数，如履刺高度、履刺厚度、履刺拔模角度以及履刺形式，建立模型并进行仿真，得到仿真结果；
(c)对比结果，选取使履带履刺的附着力最大的一组结构参数作为最优方案，以所述最优方案对履带履刺的结构进行优化。

Claims (4)

1.一种基于CFD-DEM耦合仿真的履带履刺结构优化计算方法，其特征在于，具体步骤如下：
(1)建立物理模型，具体是建立履带履刺模型；
(2)建立计算区域模型并网格划分；
(3)参数设置，在CFD软件中设置液相，在DEM软件中设置固相；
(4)边界条件设置，具体如下：
(a)在DEM软件中固相颗粒堆积采用重力沉积法，并在上层颗粒某一坐标位置加载履带履刺模型，履带履刺在某一定载荷下与上层颗粒接触；
(b)根据雷诺数方程Re＝ρvD/μ，ρ-流体的密度，v-流体的平均流速，D-工件入口孔径，μ-流体的粘性系数，液相流动可以形成湍流状态，采用RNG k-ε湍流模型；
(c)入口边界设置：入口条件采用速度入口条件，入口速度垂直于进口边界面，重力方向与入口速度方向垂直；
(d)出口边界设置：液体相为不可压缩的流体，出口端与外界相通，故出口边界条件采用自由出流边界条件；
(e)履带履刺单独设置为壁面边界条件，并在求解时设置其运动速度，其他壁面条件采用标准壁面函数和无滑移壁面条件；
(f)选择欧拉-拉格朗日方法进行耦合，并在CFD-DEM耦合过程中，CFD软件中的时间步长为DEM软件中时间步长的整数倍；
(5)进行CFD-DEM耦合仿真，并获取固液两相对履带履刺的作用力；
(6)根据步骤(5)得到的仿真结果和以提高附着力的优化目标对履带履刺的结构进行优化分析，其优化步骤如下：
(a)指定某一种履带履刺的结构参数，建立模型并进行仿真，得到仿真结果；
(b)改变不同的结构参数，建立模型并进行仿真，得到仿真结果；
(c)对比结果，选取使履带履刺的附着力最大的一组结构参数作为最优方案，以所述最优方案对履带履刺的结构进行优化。
2.根据权利要求1所述的一种基于CFD-DEM耦合仿真的履带履刺结构优化计算方法，其特征在于所述步骤(2)中网格划分具体为计算域网格采用结构化网格，网格最小尺寸为1mm，履带履刺均采用三角形网格，履带最大网格尺寸控制在5mm以内，履刺尺寸较小，网格尺寸控制在1mm以内。
3.根据权利要求1所述的一种基于CFD-DEM耦合仿真的履带履刺结构优化计算方法，其特征在于所述步骤(3)中在CFD软件中设置液相，液相选取的是水，在DEM软件中设置固相，固相选取的是沙石，将沙石颗粒简化为球形。
4.根据权利要求1所述的一种基于CFD-DEM耦合仿真的履带履刺结构优化计算方法，其特征在于所述步骤(6)中，改变不同的结构参数包括履刺高度、履刺厚度、履刺拔模角度以及履刺形式。
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