基于快速切分置换的颗粒破碎仿真分析方法技术

本发明专利技术公开了基于快速切分置换的颗粒破碎仿真分析方法：根据真实颗粒的材料性质，确定颗粒的破碎条件，当颗粒间碰撞能量或接触力达到阈值，颗粒发生破碎得到若干子代颗粒；根据真实颗粒破碎的子代颗粒大小分布统计值，确定子代颗粒的大小分布；将模拟颗粒中的球型、超椭球颗粒转换为多面体颗粒，将球型及超椭球的连续表面颗粒转换为多面体的不连续表面颗粒；通过多面体快速切割算法，将多面体颗粒按照子代颗粒的大小分布切割成若干子代多面体颗粒，构成子代多面体颗粒模型；将子代多面体颗粒模型应用于离散单元仿真，模拟工业过程中的颗粒系统，得到仿真结果。该仿真分析方法适用于所有的颗粒破碎模型，同时对颗粒破碎模型的实现效果也很好。的实现效果也很好。的实现效果也很好。

【技术实现步骤摘要】
基于快速切分置换的颗粒破碎仿真分析方法


[0001]本专利技术涉及颗粒系统领域，尤其涉及基于快速切分置换的颗粒破碎仿真分析方法。

技术介绍

[0002]自然界存在着大量的颗粒材料，在采矿、冶金等工业过程中，颗粒的破碎频繁地发生，建立可以破碎的物理模型，获取颗粒破碎的规律，对于改善许多工业过程具有重要意义。离散单元法是研究颗粒系统的较为主要的仿真手段，其中主采用的颗粒破碎模型主要有粘结球模型(如公开号为CN109740263A的中国专利公开了一种可破碎谷物颗粒离散元仿真模型构建方法)、快速破碎模型([1]Tavares L.M.,Andr
é
F.P.,Potapov A.Maliska C.Adapting a breakage model to discrete elements using polyhedral particles，Powder Technol,362(2020),pp.208
‑
220；[2]F.P.Andre,L.M.Tavares,Simulating a laboratory
‑
scale cone crusher in DEM using polyhedral particles,Powder Technol.,372(2020),pp.362
‑
371)、粒子替换模型([1]P.Cleary,Modelling comminution devices using DEM,Int.J.Num.Anal.Meth.Geomech.25(1)(2001)83
–
105.[2]G.K.P.Barrios,J.P
é
rez
‑
Prim,L.M.Tavares,DEM simulation of bed particle compression using the particle replacement model,in Proc.14th Eur.Symp.Commin.Classif.,Gothenburg,p.59
–
63,2015)。
[0003]而对于以上的颗粒破碎模型，均存在一定程度的缺点和不足：
[0004]粘结球模型模拟了一组尺寸不均匀的球形刚性粒子的机械行为，这些粒子可能在其接触点粘合在一起。该模型能够描述颗粒破碎的几个方面，包括力
‑
变形剖面、床内颗粒与落球的相互作用。然而，该模型在粒子数较大的系统中难以拟合材料破损分布，且计算工作量巨大，限制了该模型的应用。
[0005]快速破碎模型能定性地很好描述落球与颗粒床的相互作用，但在描述单颗粒破碎测得的力
‑
变形剖面以及子体尺寸分布方面存在局限性。
[0006]粒子置换模型可以很好地拟合单颗粒破碎和颗粒床实验所得子代的尺寸分布，当模拟的颗粒总体较大时，它是以上模型的一个有吸引力的替代品。然而现在的粒子替换模型只能针对球型、超椭球颗粒系统，同时现有的球型、超椭球颗粒破碎模型仍然具有以下缺点：
[0007]1、球型、超椭球颗粒的表面为连续表面，同时球型、超椭球颗粒的破碎产物仍然是球型、超椭球颗粒，这与现实并不符合。
[0008]2、破碎产生的子代颗粒在母颗粒空间中的排列必然会导致子代颗粒之间存在重叠，这使仿真计算过程更为复杂，同时产生了不必要的误差。

技术实现思路

[0009]本专利技术的目的在于提供基于快速切分置换的颗粒破碎仿真分析方法，该仿真分析
方法可以适用于所有的颗粒破碎模型，同时对颗粒破碎模型的实现效果也很好。
[0010]本专利技术提供如下技术方案：
[0011]基于快速切分置换的颗粒破碎仿真分析方法，所述方法包括以下步骤：
[0012](1)根据真实颗粒的材料性质，确定颗粒的破碎条件，当颗粒间碰撞能量或接触力达到阈值，颗粒发生破碎得到若干子代颗粒；
[0013](2)根据真实颗粒破碎的子代颗粒大小分布统计值，确定子代颗粒的大小分布；
[0014](3)将模拟颗粒中的球型、超椭球颗粒转换为多面体颗粒，将球型及超椭球的连续表面颗粒转换为多面体的不连续表面颗粒；
[0015](4)通过多面体快速切割算法，将步骤(3)中的多面体颗粒按照步骤(2)中子代颗粒的大小分布快速切割成若干子代多面体颗粒，构成子代多面体颗粒模型；
[0016](5)将步骤(4)得到的子代多面体颗粒模型应用于离散单元仿真，模拟工业过程中的颗粒系统，得到仿真结果。
[0017]根据步骤(5)得到的仿真结果可以对应用于真实工业过程进行控制。将仿真结果应用与实际工业过程，提高其生产效率。
[0018]在本专利技术中，所述的多面体为凸多面体或凹多面体，多面体的所有面在计算过程中均视为三角形面。
[0019]在步骤(1)中，所述的颗粒破碎阈值与颗粒材料、大小有关，并会随碰撞次数的增多而改变。
[0020]在步骤(2)中，所述的子代颗粒大小分布统计值根据不同材料的落槌实验的破碎数据在仿真前预先确定。
[0021]其中，在步骤(3)中，当模拟颗粒的形状为多面体时，不需要进行转换；当模拟颗粒的形状为球型、超椭球，具有连续表面时，将球型、超椭球颗粒转换为多面体颗粒，将颗粒表面由连续表面转换为不连续的三角形表面，可按照经纬度或均匀布点进行划分，并之后的仿真步骤中保持颗粒质量基本守恒。
[0022]在步骤(3)中，所述的超椭球模型为：
[0023][0024]其中a、b、c分别为颗粒的三个半长轴的长度，s1、s2为形状指数，决定颗粒边缘的曲率。
[0025]在步骤(3)中，将模拟颗粒中的球型、超椭球颗粒转换为多面体颗粒的方法包括：
[0026](3
‑
1)在球型、超椭球颗粒的表面上取点；
[0027](3
‑
2)构建以步骤(3
‑
1)中所取的点为顶点的多面体颗粒，计算多面体颗粒的体积，计算多面体颗粒和原球型或超椭球颗粒的体积比(或体积的减少量)。
[0028]优选地，在步骤(3
‑
1)中，按实际需要进行取点，如取的点数在10
‑
1000之间。
[0029]在步骤(4)中，将步骤(3)中的多面体颗粒按照步骤(2)中子代颗粒的大小分布快速切割成若干子代多面体的方法包括：
[0030]通过平面平移的方式将多面体颗粒切割得到两个多面体颗粒，令平面一侧多面体颗粒的体积与当前被切割的多面体的体积之比为α，它与由步骤(2)中确定的子代颗粒体积
求得的目标体积比β的差值被控制在设定误差阈值范围内，切割后平面一侧的多面体作为子代多面体颗粒或若干个子代多面体颗粒的组合，这种多面体颗粒的组合需要继续切分；对平面另一侧的多面体颗粒执行上述操作，切割出子代多面体颗粒或若干个子代多面体的组合；重复以上步骤，直到切割完成；
[0031]其中，每次切割本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.基于快速切分置换的颗粒破碎仿真分析方法，其特征在于，所述方法包括以下步骤：(1)根据真实颗粒的材料性质，确定颗粒的破碎条件，当颗粒间碰撞能量或接触力达到阈值，颗粒发生破碎得到若干子代颗粒；(2)根据真实颗粒破碎的子代颗粒大小分布统计值，确定子代颗粒的大小分布；(3)将模拟颗粒中的球型、超椭球颗粒转换为多面体颗粒，将球型及超椭球的连续表面颗粒转换为多面体的不连续表面颗粒；(4)通过多面体快速切割算法，将步骤(3)中的多面体颗粒按照步骤(2)中子代颗粒的大小分布切割成若干子代多面体颗粒，构成子代多面体颗粒模型；(5)将步骤(4)得到的子代多面体颗粒模型应用于离散单元仿真，模拟工业过程中的颗粒系统，得到仿真结果。2.根据权利要求1所述的基于快速切分置换的颗粒破碎仿真分析方法，其特征在于，所述的多面体为凸多面体或凹多面体，多面体的所有面在计算过程中均视为三角形面。3.根据权利要求1所述的基于快速切分置换的颗粒破碎仿真分析方法，其特征在于，在步骤(3)中，所述的超椭球模型为：其中a、b、c分别为颗粒的三个半长轴的长度，s1、s2为形状指数，决定颗粒边缘的曲率。4.根据权利要求1所述的基于快速切分置换的颗粒破碎仿真分析方法，其特征在于，在步骤(3)中，将模拟颗粒中的球型、超椭球颗粒转换为多面体颗粒的方法包括：(3
‑
1)在球型、超椭球颗粒的表面上取点；(3
‑
2)构建以步骤(3
‑
1)中所取的点为顶点的多面体颗粒，计算多面体颗粒的体积，计算多面体颗粒和原球型或超椭球颗粒的体积比。5.根据权利要求4所述的基于快速切分置换的颗粒破碎仿真分析方法，其特征在于，在步骤(3
‑
1)中，取的点数在10
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1000之间。6.根据权利要求1所述的基于快速切分置换的颗粒破碎仿真分析方法，其特征在于，在步骤(4)中，将步骤(3)中的多面体颗粒按照步骤(2)中子代颗粒的大小分布快速切割成若干子代多面体的方法包括：通过平面平移的方式将多面体颗粒切割得到两个多面体颗粒，令平面一侧多面体颗粒的体积与当前被切割的多面体的体积之比为α，它与由步骤(2)中确定的子代颗粒体积求得的目标体积比β的差值被控制在设定误差阈值范围内，切割后平面一侧的多面体作为子代多面体颗粒或若干个子代多面体颗粒的组合，这种多面体颗粒的组合需要继续切分；对平面另一侧的多面体颗粒执行上述操作，切割出子代多面体颗粒或若干个子代多面体的组合；重复以上步骤，直到切割完成；其中，每次切割时目标体积比β按以下步骤确定：1、在切割开...

【专利技术属性】
技术研发人员：赵永志，陈傅雷，
申请(专利权)人：浙江大学，
类型：发明
国别省市：