颗粒破碎过程的离散元精细化建模

摘要

为了模拟颗粒的破碎过程,反映颗粒破碎后碎片的真实形状,改进了多面体的接触识别算法,提出了一种基于离散元法的精细化弹簧-四面体单元破碎模型.将多面体颗粒用弹簧-四面体单元离散后,利用连接线性目录法建立可能接触颗粒对的邻居目录,采用改进的射线穿透法判断邻居目录中颗粒对是否真正接触.两种算法共用边界盒,讨论了接触识别算法中特殊的接触类型,并计算接触力.通过最大拉力准则判断弹簧断裂,最终获得多面体颗粒的破碎情况,并对六棱柱颗粒高速冲击刚性边界的破碎过程进行了数值模拟,研究了不同速度下颗粒高速冲击刚性边界的破碎程度.模拟结果表明,建立的弹簧-四面体单元破碎模型可以模拟多面体颗粒的破碎过程,连接线性目录法能够快速建立颗粒系统的邻居目录,改进的射线穿透法能有效地识别颗粒间各种复杂的接触情况.研究结果表明,颗粒破碎是从未破碎-快速发展-缓慢发展的过程,并且速度越大,初始破碎时刻越早,破碎发展速度越快,破碎程度也越严重.数值模拟结果与颗粒冲击破碎实验的结果趋势相符,计算模型反映了真实情况下颗粒的破碎趋势.改进了的多面体接触识别算法和提出的弹簧-四面体单元破碎模型可以有效地模拟颗粒的破碎过程,解决颗粒破碎后碎片的真实形状问题.