论文摘要
离散单元法是一种求解颗粒及散体物料动力学行为的数值方法。在颗粒制备与处理装置的结构设计与分析方面,颗粒离散元仿真技术得到了普遍的认可,并取得了一系列有价值的研究成果。与其它工程领域相比,针对机械产品的颗粒离散元仿真需要着重考虑并实现以下三个方面的技术问题：边界模型的表面形状、运动及磨损的描述问题；颗粒与复杂的边界模型间的接触判断问题,以及仿真软件的设计及实现问题。首先,颗粒离散元仿真中的边界模型通常表示某个可运动的机械部件。边界模型具有特定的表面形状与结构,并按照既定的运转方式作刚体运动。利用基本的几何图元对边界模型的形体建模,虽然可以准确地表达某些具有规则形状的机械部件,但是对于复杂的边界模型而言,这样的建模方法显得不够灵活。机械部件的运动可以通过速度合成定理进行描述。但是,对于沿特定的轨迹运动的机械部件,其运动参数的大小和方向将随时间不断改变。所以,需要研究更加合适的方法描述这类部件的运动形式。机械部件的表面磨损是由大量颗粒频繁撞击和摩擦所造成的,它是机械产品设计中考虑的重要问题。基于颗粒离散元方法的表面磨损预测,主要是利用离散元仿真得到的微观数据定量地计算部件表面材料的磨损量,并以某种可视化的方法展现出磨损表面的几何特征。目前,相关文献对于这些问题的阐述很有限。其次,散料处理机械通常涉及到复杂的受力条件。颗粒单元快速而频繁地碰撞机械部件的同时,单元的运动和受力方向在极短的时间内发生改变。离散元仿真采用接触判断算法捕捉颗粒单元与复杂的边界模型之间的碰撞,而通常接触判断算法是制约离散元仿真速度的最大的瓶颈之一。所以,有必要进一步改进和提高现有算法的执行效率,从而在整体上提高仿真计算的速度。最后,各项离散元仿真技术需要整合到一套功能完备的仿真软件中来。一套通用性强的离散元仿真软件,可以让研究人员从繁重的程序开发工作中解脱出来,将主要精力投入到设计和实施各种数值实验、分析和解释计算结果等方面的工作中来。仿真软件需要提供方便快捷的前处理功能,还需要具备功能丰富的数据后处理功能,以便更好地揭示隐藏于数据背后的规律。然而,目前很少有文献资料系统而完整地说明颗粒离散元仿真软件的设计与实现方法。本文从以下五个方面深入研究这些仿真技术问题的解决方案和实现方法。第一,结合颗粒离散元仿真在散料处理机械产品设计与分析过程中的应用特点,归纳总结出离散元仿真应用过程中的三个主要技术问题。第二,首先使用三角网格对边界模型进行几何建模,以便简化离散元仿真的建模过程；随后,基于这种三角网格边界建模方法,实现了边界模型的运动轨迹规划方法,并以物料挖掘的仿真算例验证了该方法的有效性；最后,研究了一种基于三角网格边界的表面磨损描述方法,该方法在相应的算例中很好地预测了边界模型的表面磨损特征。第三,提出并实现了一种新的基于几何关系推理的接触判断算法。该算法改进了球形颗粒与复杂的三角网格边界间的相交检测方法；物料混合过程的仿真算例验证了该算法的有效性和稳定性。第四,开发了一套三维颗粒离散元仿真软件,并以螺旋输送机的仿真算例验证了该仿真软件的有效性。第五,以球磨机为例,详细地阐述了本文所研究的各项仿真技术在球磨机的工作参数设计和分析中的应用；分别从球磨机内部研磨介质的运动形态分析、磨机功率分析、磨机碰撞能量谱及能量分布,以及磨机衬板的表面磨损预测等几个方面,说明了颗粒离散元仿真在球磨机以及其它相关机械产品设计中的应用价值。