粘性炭素糊料冲击压实机理及其离散元数值仿真研究

摘要

在铝电解槽的修筑过程中广泛采用冲击压实方法进行炭素糊料的扎固，糊料的扎固质量是影响其使用寿命的主要因素之一，因此，糊料扎固问题的研究对提高电解槽寿命具有重要的意义。目前对于糊料在冲击载荷下的密实过程的研究和应用多建立在宏观假设和试验的基础上，对于糊料冲击密实的机理及其与糊料物理力学特性之间的关系还未有研究，而且缺乏适宜的数值模拟技术，这种研究的滞后严重阻碍了铝电解自动化生产水平的提高。为了提高铝电解槽的寿命和经济效益，采用现代化的技术手段、先进的设备来提高铝电解槽扎固的生产水平和生产效益，运用新的理论和技术对粘性炭素糊料及其扎固进行研究势在必行。 糊料是一种主要由颗粒和孔隙组成的性质十分复杂的热塑性颗粒材料，其整体性质与颗粒的大小、形状及分布特征等细观恃征参数有关。在外载荷作用下，这些细观参数将不断发生变化，糊料的整体物理力学性质也随之改变。论文采用细观力学的相关理论对糊料堆积体在外载荷作用下的动态行为变化规律进行研究，并考虑到堆积体内部细观结构的变化特征，将细观结构的特征参数与宏观力学量统一起来，建立相适应的力学特性模拟模型，将微观与宏观联系起来，进一步完善了对糊料特性的研究。以力学模型为基础，采用离散元方法建立糊料力学特性的仿真系统，通过力学试验拟合糊料的仿真参数，并采用该系统对糊料的冲击压实进行模拟。论文的主要研究工作有： 炭素糊料本身的物理和力学性质是糊料扎固的前提和基础。在已有的研究成果基础上，对糊料特性的相关研究成果进行综合比较、分析和总结，研究了糊料组成、物理力学特性对糊料及其堆积体力学特性的影响，为糊料的压实及其相关研究提供了科学依据。针对糊料的特性对其尺度划分进行了定义，从宏观和细观角度对糊料的压实变形机理进行分析。 从细观角度出发，对糊料颗粒间的相互作用力进行研究，分析颗粒间的主要作用力及其对糊料相互作用的影响。研究糊料颗粒间的接触力模型，得到适合描述粘性糊料颗粒细观接触的力一位移模型。通过糊料的力学特性试验，研究糊料的动态应力应变特性。 以糊料力学特性试验为基础，引入颗粒离散元方法建立糊料的细观力学特性仿真模型，探讨了系统建立的原理和机制。根据糊料的细观接触模型，利用离散元程序PFC的二次开发接口实现了相对接触位移计算接触力的算法。通过分析粘性糊料颗粒的运动、变形以及颗粒间的接触力及其分布，建立糊料颗粒间的细观接触相互作用与宏观应力应变之间的关系。通过仿真模型改变摩擦系数、弹性模量、粒径比等参数，研究了这些细观结构特征的变化对本构关系的影响。 从糊料宏观变形角度入手，通过室内冲击压实试验，对不同压实参数情况下糊料的动态行为变化进行了初步试验研究，确定了其合理范围。对压实功、布料厚度等主要影响参数在其合理范围内采用正交试验方法进行了优化试验。根据试验结果拟合得到了糊料压实密度与压实功及布料厚度的关系式。对不同阶段压实糊料的细观特征研究表明，细观特征参数与宏观变形具有对应性。 采用颗粒离散元方法建立了糊料的冲击压实仿真系统，研究了颗粒试样的生成原理及算法，并给出了详细的步骤。通过模拟糊料的冲击压实过程颗粒的位置、速度图、位移图和接触力图，分析了压实过程颗粒排列变化和位移，重点探讨了糊料堆积体宏观形态与细观结构的变化规律。研究结果表明，模拟结果与试验中糊料的力学响应特征基本一致。颗粒离散元细观模拟能够通过堆积体内部糊料颗粒的细观运动解释糊料外部宏观形态变化过程，从本质上揭示糊料动态行为变化规律。仿真系统可用于评判糊料扎固工艺的合理性以及进行扎固工艺参数的优化。

目录

文摘

英文文摘

声明

第一章绪论

1.1引言

1.2铝电解槽扎固现状分析

1.2.1铝电解槽扎固工艺

1.2.2铝电解槽扎固研究的现状与不足

1.3炭素糊料特性研究综述

1.3.1糊料的颗粒特性研究

1.3.2糊料的细观结构

1.3.3糊料的力学特性研究

1.3.4颗粒间作用力的研究现状

1.4离散元法及其应用研究现状

1.4.1离散元的基本原理

1.4.2离散元法的发展及研究现状

1.5工程背景及研究意义

1.6本文的主要研究内容

第二章糊料的扎固工程特性研究

2.1糊料的组成及其物理化学特性

2.1.1糊料的组成

2.1.2影响糊料特性的因素分析

2.2粘结剂对糊料特性的影响

2.3糊料堆积体的细观结构特性研究

2.3.1多尺寸分布糊料颗粒的堆积结构

2.3.2微观、细观和宏观尺度的划分

2.3.2糊料堆积体的细观结构特性

2.4糊料的压实过程研究

2.4.1糊料的压实方法及机理

2.4.2糊料压实过程研究

2.4.3冲击载荷下糊料变形和强度的内在机理探讨

2.4.4压实的影响因素

2.5本章小结

第三章糊料颗粒间的作用力及其接触模型研究

3.1糊料颗粒间碰撞过程的力学分析

3.1.1干颗粒碰撞过程研究

3.1.2具有间隙流体的颗粒碰撞过程研究

3.2糊料颗粒间的作用力计算及分析

3.2.1颗粒间作用力的分类及计算

3.2.2相互作用力的量级分析

3.2.3影响颗粒团聚和破碎的主要作用力

3.2.4碰撞过程中作用力的变化规律

3.4糊料颗粒的细观接触力—位移模型

3.4.1细观颗粒接触模型

3.4.2糊料接触模型的选择

3.4.3糊料法向和切向接触力的位移驱动算法

3.5糊料颗粒接触力—位移模型的数值计算

3.5.1用户自定义接触模型

3.5.2接触模型的实现

3.6本章小结

第四章糊料的细观力学特性研究及其数值模拟

4.1糊料的宏观力学特性试验研究

4.1.2试验目的及主要试验内容

4.1.2糊料试样的应力应变特性分析

4.2糊料的细观力学特性仿真模型

4.2.1仿真计算模型的建立

4.2.2模型的求解

4.2.3模型的稳定性条件

4.2.4模拟试样应力应变的计算

4.3糊料细观力学参数计算及其影响规律研究

4.3.1关键细观力学参数的选择

4.3.2糊料细观力学参数的计算

4.3.3细观力学参数对力学特性的影响规律研究

4.4本章小结

第五章糊料的冲击压实试验研究

5.1糊料压实试验条件及装置

5.1.1糊料试样的选择及处理

5.1.2试验目的

5.1.3试验条件及装置

5.2糊料冲击压实动态行为的初步试验研究

5.2.1糊料压实质量的评价

5.2.2压实功对糊料的影响

5.2.3布料厚度对糊料扎固的影响

5.2.4施工温度对压实的影响

5.3压实工艺参数的优化试验

5.3.1压实参数的正交试验设计

5.3.2压实参数对糊料密度及变形的影响

5.3.3糊料颗粒的细观变化研究

5.4本章小结

第六章糊料压实的离散元仿真及其应用研究

6.1糊料压实数值仿真系统的建立

6.1.1糊料试样参数的选择及计算

6.1.2糊料试样的生成策略

6.2糊料压实模拟结果分析

6.2.1锤头阻力的变化

6.2.2压实过程糊料颗粒的位移特性

6.2.3锤头周围颗粒孔隙率的变化

6.2.4锤头周围颗粒的应力分布

6.3仿真模型的应用研究

6.3.1阴极组装工艺参数的优化

6.3.2级配对压实质量的影响研究

6.4本章小结

第七章全文总结及展望

7.1全文总结

7.2展望

参考文献

致谢

攻读学位期间主要研究成果