離散元知識點

顆粒動力學(xué)常用方法及其特點(20分)？答：顆粒動力學(xué)常用方法一般分為兩類，即連續(xù)力學(xué)方法和離散單元方法。1連續(xù)力學(xué)法是一種宏觀建模的方法，用于分析可被看成是連續(xù)介質(zhì)的散粒物料的運(yùn)動，“顆粒流”、“顆粒氣團(tuán)”(由相互作用的顆粒結(jié)成的連續(xù)體)、粘彈可塑性的土壤等。該方法把連續(xù)力學(xué)(如流體力學(xué))粒之間時而接觸時而又分別的不連續(xù)性，不能很好地解決顆粒及顆粒間簡單多變的接觸問題。2離散元方法(DEM)的思想源于較早的分子動力學(xué)，是爭論不連續(xù)體力學(xué)行為的一種數(shù)值方法。其根本思想是把散粒群體簡化成具有肯定外形和質(zhì)量顆粒的集合，賜予接觸顆粒間及顆粒與接觸邊界(機(jī)械部件)其特點是在分析高度簡單的系統(tǒng)時，無論是顆粒還是邊界均不需作大的簡化；當(dāng)賜予接觸顆粒間不同的接觸模型時，還可以分析顆粒結(jié)塊、顆粒群聚合體的破壞過程、多相流淌甚至可以包括化學(xué)反響和傳熱等問題。離散元法的顆粒建模方法及其特點(20分)？答：離散元法的顆粒建模方法有兩種：1超二次方程80%以上的顆粒外形都可以用超二次方程的模型進(jìn)展簡化模擬，因此超二次方程方法使用范圍比較廣泛。2組合顆粒模型這種方法建模比較直觀，通過不同外形和大小的單元體可以組合出所需的各種顆粒模型。離散元法的邊界建模方法及其特點(20分)？答：到目前為止，離散元法的邊界建模方法主要有以下幾種：1顆粒積存方法開銷太大尤其是三維的狀況。2函數(shù)建模方法在離散元中，邊界可以用離散的或連續(xù)的幾何方程來表示。對于料倉和漏斗中顆粒流Williams等使用了基于二維的超曲面的更簡單圖形，來建立邊界的離散元法分析模型，此時邊界輪廓需要被分解成線段用于接觸探測。使用一樣的方法已經(jīng)被擴(kuò)展到三維，如使用球面、圓筒面或平面元素來表示邊界。Walton等使用了這個技術(shù)，仿真球形無彈性顆粒流通過規(guī)章排列的圓筒桿。3有限壁方法Kremmer等提出一種有限壁的方法，用以建立三維運(yùn)動邊界的離散元法分析模型。算法使用三角平面壁元素組成的離散三角網(wǎng)近似靠近有限面。每個壁元素用一些參數(shù)定義，如位置、方向和曲半徑等，這些參數(shù)是壁和顆粒接觸判定的根底。這種方法也可以用于建模簡單的邊界模型。有限壁的方法計算效率高，表示邊界的幾何外表格外敏捷，可直接采從而更逼真的模擬系統(tǒng)中的顆粒運(yùn)動。4CAD模型的建模方法這些外表又由一些根本圖形元素(以下簡稱圖元)(二維CAD模型)或平面、球面、橢球面、柱面和錐面等(三維CAD模型)，作為一種通用的建模方法，通過讀取邊界CAD模型中與散粒物料接觸作用的圖元，來建立邊界的離散元法分析模型，是一種可行和通用的方法。離散元法常用接觸作用的力學(xué)模型及其應(yīng)用(20分)？答：離散元法常用的接觸作用的力學(xué)模型有以下幾種：1線性粘彈性接觸力學(xué)模型法向接觸力學(xué)模型，常用的線性粘彈性模型為Fn

kn

cvn nn為接觸兩體間的法向作用力；n為接觸的法向剛度系數(shù)，n合量；Cn為法向粘性阻尼系數(shù)，Vn為兩體接觸處的法向相對速度(斥力)。由于切向力的大小與加載歷史有關(guān)，因而通常切向接觸力的計算都承受增量形式，其線性粘彈性力學(xué)模型為F(t)Fs s

(tt)kvs s

tcvs sVs為接觸處的切向相對速度；Cs為切向粘性阻尼系數(shù)。2非線性粘彈性力學(xué)模型線性粘彈性模型雖然得到廣泛應(yīng)用，但實際上顆粒相互接觸時，法向作用力都是非線3232FR4R4

kn

cv1E1E12 121 2E E12k E

，1

1 1 ，3n R R R31 2R、R 分別為接觸兩體接觸處的曲率半徑E、E 分別為接觸兩體的彈性模量 分別1 2 1 2 1 2為接觸兩體的泊松比〔斥力。3彈塑性接觸力學(xué)模型粘性阻尼力并非真正代表一種能量耗散機(jī)制，而只是使計算盡快穩(wěn)定的方法，因而cnee不僅與材料特性有關(guān)，還與接觸外表cn也帶來難度；第三，當(dāng)法向作用力較大e又較小，依據(jù)粘彈性模型計算的法向力已有較大誤差。為此，Mishra、WaltonVu-Quoc等又分別提出了Walton提出的半鎖彈簧(又稱雙線性)模型為k 加載時F 1 n k2

0

卸載時k1

δδ02k2

分別為接觸兩體的法向疊合量和剩余法向疊合量，kke1 24

k1 。2+

時，法向接觸力由線性粘彈性模型F

k

cv1 2 n n n n nD在R1+R2≤D≤(1+Cad)(R1+R2)間時，法向接觸力〔拉力〕為Fkn ad5

ad

)(R1

R)D2S(=s1+s2)0≤S≤(1+0.5)V13

時法向接觸力〔拉力〕為FFFn c

，式中F(12c 2

) F6vR*2 ni1i

S

為顆粒半徑(m)；S為顆粒間nηPa為流體外表張力為兩顆粒間液體體積可由下n式求得：V2{2

2

cos

3cos31

21

2 1

3 1 1 2 r3cossin

2cos1cos2}2的接觸3

型，如考慮顆粒具有外表粘附作用的粘聚力模型；考慮顆粒與氣體耦合時的氣固耦合模型；考慮整體物料局部破壞的連結(jié)模型等。以上幾種力學(xué)模型的應(yīng)用：在承受離散元法分析計算時，應(yīng)選用哪一種力學(xué)模型，一般來說與分析對象和分析目的有關(guān)。Klinker等認(rèn)為粘彈性模型更適合于散粒農(nóng)業(yè)物料的分析計算，其中線性粘彈性模型已應(yīng)用于金屬棒插入土壤時土壤阻力及變樣子況、糙米的篩分過程和筒倉中大豆的進(jìn)出料過程的分析；半鎖彈簧模型已應(yīng)用于大豆在斜槽中流淌過程型更適宜。具體步驟等(20分)？答：以承受離散元法對芯鏵式和船形鏟式開溝器工作阻力的仿真分析為例來說明。芯鏵式和船形鏟式開溝器爭論現(xiàn)狀和存在問題1芯鏵式開溝器芯鏵式開溝器是在我國傳統(tǒng)農(nóng)具耙芯子的根底上進(jìn)展起來的，適用于壟作播種，它工作時，其前棱和兩側(cè)對稱的曲面使土壤沿曲面上升，并將殘茬、表層干土塊、雜草向兩側(cè)拋出翻到，使下層濕土上翻，開溝阻力也較大，不利于高速作業(yè)。其優(yōu)點是構(gòu)造簡潔，入180mm溝底平坦、苗幅寬，可防止干濕土混雜，利于保墑出苗。主要用于東北壟作地區(qū)寬苗幅，中耕作物播種的中耕通用機(jī)上。2船形鏟式開溝器6035壓成溝形。溝形平坦，V型溝壁整齊。依據(jù)需要可選用單行、雙行和三行開溝鏟，每個開溝器可開出一條、兩條或者三條種溝，可以到達(dá)窄行密播和帶播的要求。這種開溝器工作速度不宜過高，最大為6~7km/h。因其構(gòu)造簡潔，適于淺播和窄行播、帶播，主要用于蔬菜、甜菜和豆類播種機(jī)上。3存在問題工作過程。具體步驟1邊界模型的建立基于AutoCAD模型，通過Pro/E軟件對芯鏵式和船形鏟式開溝器進(jìn)展三維建模。然后運(yùn)用課題組開發(fā)的離散元仿真分析軟件的前處理模塊提取芯鏵式和船形鏟式開溝器的工作平面，并設(shè)置相應(yīng)的材料屬性和運(yùn)動屬性，最終將邊界信息、材料信息、運(yùn)動信息存入到數(shù)據(jù)庫以備后面仿真調(diào)用。2選擇適合土壤