基于多尺度内聚颗粒模型的振动挤压破碎过程研究

摘要

物料颗粒的破碎广泛应用于各大基础工业领域，对颗粒材料破碎过程研究则有助于了解破碎的实质。对于描述颗粒破碎过程，利用计算机技术构建适合颗粒破碎过程的颗粒模型已成为破碎领域的热点问题。
　　本研究采用试验分析、理论分析和计算机模拟相结合的方法完成了以下工作：在建立脆性硬岩离散元颗粒模型的基础上，对颗粒微观参数进行了标定分析；在一般性颗粒破碎模型基础上，提出了用于描述颗粒振动挤压破碎过程的多尺度内聚颗粒模型概念，并完成了多尺度结构及内聚力多尺度的定义；根据所构建的多尺度内聚颗粒模型进行了单颗粒振动挤压破碎过程分析，开展了颗粒群的破碎可视化研究。
　　论文的主要研究成果：
　　（1）在单轴压缩标准试验基础上，构建了矿石颗粒离散元模型，探讨了模型各参数的离散元本质，并借助“虚拟实验”方法，借助对比仿真与试验的应力-应变曲线以及试样断裂面的位置，对颗粒模型微观参数进行了标定，获取了一组可模拟脆性矿石断裂特性的颗粒微观粘结参数。
　　（2）从矿石颗粒在挤压作用下的破碎过程描述出发，通过定义单元体不同几何尺度特性和单元体之间粘结键不同强度特性以及结合方法上建立了多尺度内聚颗粒模型；并在EDEM中生成了标准圆柱体试样物理特性的多尺度内聚颗粒圆柱体模型，通过压缩仿真验证了所构颗粒模型的合理性。
　　（3）通过建立板辊式振动挤压破碎机模型，开展了多尺度内聚颗粒模型单颗粒的振动挤压破碎仿真，分析结果表明：在挤压过程中，三级颗粒及二级颗粒内部均出现初始裂纹并进行扩展，符合多尺度内聚模型特点；咬入速度对颗粒模型的破碎影响仅体现在作用时间上，即咬入速度越大，颗粒模型破碎越快，而模型断裂状态及断裂形式均未受其影响；振动载荷下颗粒模型破碎过程依然符合多尺度内聚特点，振动下模型裂纹扩展速度较纯挤压更快，破碎效果较纯挤压更好。
　　（4）建立了多尺度内聚颗粒模型的颗粒群破碎模型，包含三类不同外形形状的18种典型多尺度颗粒结构，实现了颗粒群振动挤压破碎过程可视化；对比分析了纯挤压及振动挤压对颗粒群破碎效果的影响情况，表明振动的施加有利于颗粒群的破碎；同时还发现，在振动加载条件下多尺度内聚颗粒模型颗粒群的破碎率随压缩距离呈先缓慢增加后快速增加趋势；从力链角度描述了颗粒群的振动挤压破碎过程，进一步验证了该破碎特点。
　　通过以上表明，本论文的研究将颗粒在振动挤压加载形式下的破碎过程模型化，为建造新型破碎机提供了有效的途径，具有较好的实际应用价值。

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第一章 绪论

1.1 研究背景及意义

1.2 颗粒模型发展研究现状

1.3 论文主要研究内容

第二章 矿石力学试验及基于DEM的矿石参数标定

2.1 矿石基本力学性质测定

2.2 颗粒离散单元模型理论分析

2.3 脆性硬岩单轴压缩数值模拟

2.4 本章小结

第三章 多尺度内聚颗粒模型构建方法研究

3.1 多尺度内聚颗粒模型基本定义

3.2 颗粒模型几何结构的多尺度定义

3.3 内聚力多尺度定义

3.4 多尺度内聚颗粒模型数值模拟

3.5 本章小结

第四章 多尺度内聚模型单颗粒振动挤压破碎仿真分析

4.1 振动挤压机构创建及运动分析

4.2 多尺度内聚颗粒模型单颗粒挤压破碎分析

4.3 本章小结

第五章 多尺度内聚模型颗粒群振动挤压破碎可视化研究

5.1 颗粒群模型的选取

5.2 颗粒群破碎模型的建立

5.3 仿真结果分析

5.4 本章小结

第六章 结论与展望

6.1 结论

6.2 展望

参考文献

致谢

攻读学位期间的研究成果