离散单元法模拟铸造旧砂振动再生.docx

离散单元法模拟铸造旧砂振动再生旧砂振动再生的DEM理论基础旧砂在振动过程中使惰性膜脱落的主要因素是机体与砂粒以及砂粒相互间的碰撞与摩擦。碰撞作用不仅可使惰性膜脱落当撞击力过大时还可能导致砂粒破碎成为粉尘。而摩擦作用仅在砂粒表面形成剪切应力使惰性膜脱落而很少导致砂粒破碎。因而在设计振动再生机时应使其中的砂粒能受到较强的摩擦作用而将碰撞控制于一定的范围内。在应用DEM法模拟旧砂振动过程时定义边界功为机体对砂粒所做的功对砂粒产生正向挤压效应；定义摩擦功为所有单元接触时产生摩擦滑动的能量导致单元之间产生剪切摩擦。模拟过程中设定多种因素考察它们对边界功和摩擦功变化的影响。前期准备工作1.模拟参数确定：离散元法是一种数值计算方法。为在有限时间内能够获得收敛的模拟计算结果需对计算模型进行适度简化并选取合理的模拟参数。其中涉及到颗粒直径、材料的相关物理和力学性质、粘滞阻力系统的恢复系数等。通过查阅工程手册、参考文献以及实际试验测定确定模拟计算中所用到的各主要参数如表1所示。2.机体振动参数测定：振动再生机通过振动将力传递给砂粒并使其获得一定的运动速度和加速度并产生相应的位移。由于不同再生机的动力学参数各异为使模拟过程更为接近真实物理模型在进行模拟前首先测定了实验室自制的再生试验机的振动参数。通过安装于再生机上不同位置的加速度传感器采集振动系统的加速度和振动频率信号分析得到振动筒体的加速度函数为正弦函数。其垂直分量az和水平分量ay的数值表达式为：式中：g为重力加速度；t为筒体振动时间(s)。通过对加速度函数进行一、二次积分可获得振动筒体的速度函数vx、vz和位移函数sx、sz的表达式。以上函数将应用于模拟计算过程中。模拟过程模拟计算采用美国Itasca公司开发的离散元计算软件PFD3D完成。它可通过模拟系统内部颗粒间的运动和接触状态的变化来描述颗粒的非线性特征[3]。在应用PFD3D模拟旧砂振动再生过程时主要经历四个步骤即模拟对象(筒体与颗粒)生成、颗粒自然堆积、加载运动速度和记录筒体和颗粒状态。所有四个步骤都要通过PFD3D中内嵌的FISH语言编写程序完成。1.模拟对象生成：筒体的模型尺寸按照实验室样机尺寸确定。分别建立圆柱形和六边棱柱筒体模型设定x方向为径向y方向为筒体轴向z方向为垂直方向。为减少计算单元数根据筒体在x方向具有对称性而在轴向上砂粒运动可视为无变化的假设在x方向上取其1/2为计算部分。筒体y方向视计算单元数量多少而选择其长度的1/3或1/4尺寸。六边形筒体的计算模型如图1所示。生成筒体并设定其属性后在整个筒体范围内生成自然堆积颗粒。设定不同直径的粒子分别代表砂粒及钢球并赋以对应的物理属性。指定生成的每种颗粒总量分别为3.5kg填充率为0.7在重力作用下自然堆积。当系统整体不平衡力低于1伊10-4N时认为达到平衡状态。生成的模拟对象状态如图2。其中以绿色和黄色颗粒分别代表砂粒和钢球。2.加载速度模拟运动：颗粒自然堆积达到平衡后对筒体施加如上2节所述正弦波形式的加速度模拟运动。程序运行5000000步后筒体内颗粒的运动基本达到一种动平衡状态。此时可对系统状态的力、速度、边界功、摩擦功及动能等相关参数进行记录。模拟结果及分析按照以上过程模拟计算了多种条件下的振动模型。通过分析模拟结果可以了解旧砂振动再生过程中各种因素的影响从而达到辅助优化设计和工艺参数的目的。1.筒体形状的影响：在其它设定参数完全相同的条件下分别计算圆柱形和六边棱柱筒体的振动状态。在达到动平衡时记录到的相关参数如表2所示。对比表中数据得知在同等条件下和圆柱筒体对比采用六边棱柱筒体其摩擦功可提高13%而边界功可提高16%。这是有利于提高旧砂的振动再生效果的。对运动矢量和受力状态的分析也证明了这一点。2.中心筒体的作用：已有研究表明在振动筒体的中心区域存在低能量区[3]。为了减小低能量区的影响可在此区内设置中心筒体并使其和主筒体保持弹性联结从而具有和主筒体不同步的振动。为证明这一论点建立了对应的模拟模型并和没有中心筒体的模型进行对比。图3为相同计算条件下有无中心筒体时的能量曲线。图中x轴为振动时间(s);y轴为能量(J)变化。观察能量图发现有、无中心筒体时边界功均呈线性变化。无中心筒体的摩擦功曲线也近似线性并且斜率小于边界功动能值很小。有中心筒体的摩擦功与动能都呈现非线性的变化并带有突变。当动能突变时相应的摩擦功也出现了突变。对比两种情况在8.5s时边界功与摩擦功的最大值有中心筒体时边界功与摩擦功最大值为6.7与3.8J；无中心筒体时相应的最大值为7.8与2.9J。无中心筒体时的边界功比有中心筒体时增加了14.1%；而有