一种细长型金属管药剂夯实状态的离散元分析方法技术

一种细长型金属管药剂夯实状态的离散元分析方法，涉及计算机模拟分析领域，包括：1）细长型金属管模型的建立；2）药剂颗粒加料模型的建立；3）药剂颗粒模型的建立；4）细长型金属管夯实动作模拟建立；5）应用所建立的离散元模型模拟观察夯实动作中细长型金属管内部药剂颗粒的运动、药剂颗粒密度变化过程。

【技术实现步骤摘要】

本专利技术涉及计算机模拟分析领域，特别是一种对细长型金属管药剂夯实过程进行模拟的离散元分析方法。
技术介绍
细长型金属管粉体颗粒的夯实是火工品的生产难点，火工品对细长型金属管内药剂颗粒密度要求较高，均匀的细长型金属管粉体颗粒的夯实密度是影响火工品质量的关键因素，能够保证线密度等指标满足火工品质量要求。目前我国的火工品依然采用单模单发的手工生产模式，在这种生产模式下，存在着如下问题:(1)产品一致性差；(2)劳动强度高、生产效率低；(3)对操作人员存在健康和安全隐患。针对这些问题，以垂直冲击振动压实原理为基础，研制了基于冲击振动的夯实装置，该装置利用药剂颗粒的自身重力进行装填，通过垂直方向上的振动冲击作用使药剂颗粒进行重新排列，以达到提高装药密实度的目的。该夯实装置解决了产品一致性差的问题，降低了劳动强度，提高了生产效率，同时实现了完全的人机隔离，保障了操作人员的健康和安全。但是在夯实装置运行过程中，无法对夯实动作中细长型金属管内部药剂颗粒的运动、药剂颗粒密度变化过程进行观察。离散元方法是从颗粒的角度出发，从微观角度来揭示宏观运动的本质，为解决此类问题提供了有效的解决途径。离散元模型把系统单元看作有限个离散单元的组合，假定单元之间的作用力与它们之间的相对位移量成正比，然后应用牛顿第二定律建立运动方程，最后采用中心差分法进行显式迭代求解，来预测散体颗粒的运动行为，能让我们清楚认识到实际工程应用中的各种现象的原理。目前，离散元方法在岩土、矿冶、农业、化工、制药和环境等领域有广泛地应用，但是针对细长型金属管药剂夯实状态的离散元分析并无人进行研究。
技术实现思路
本专利技术的目的就是提供，它可以模拟夯实动作中细长型金属管内部药剂颗粒的运动和药剂颗粒密度变化过程。本专利技术的目的是通过这样的技术方案实现的，具体分析步骤如下:I)建立细长型金属管模型，采用中空状圆柱形墙面对细长型金属管进行模拟，圆柱型墙面有效侧为圆柱形墙面内壁，在圆柱形墙面底部建立底端墙面对堵头进行模拟，设置底端墙面的有限侧朝上；2)建立药剂颗粒加料模型，采用漏斗状墙面对药剂颗粒加料模型进行模拟，其有效侧为漏斗状墙面内壁，且设定其为药剂颗粒生成的边界条件；3)根据步骤2)中得到的药剂颗粒生成边界条件，建立线性接触刚度模型对药剂颗粒模型进行模拟，可分多次生成颗粒，每次生成的颗粒属性相同，设置药剂颗粒模型初始密度与实际松散状药剂颗粒密度接近；4)进行细长型金属管夯实动作模拟；5)利用步骤I)至步骤4)所建立的离散元模型进行夯实仿真，在仿真过程中观察内部药剂颗粒运动和不同高度时的颗粒孔隙度，并采用孔隙度作为衡量夯实动作完成后药剂颗粒密度均匀度的参数指标，验证夯实完成后细长型金属管内部各高度药剂颗粒密度均勻性，从而确定最佳夯实次数和最佳夯实高度。进一步，步骤2)中药剂颗粒生成的边界条件判断公式为:R_xy+r ^ R_lim-R_upper ^ x ^ R_upper-R_upper ^ y ^ R_upperH_cylinder ^ z ^ H+H_cylinder其中，生成颗粒质心坐标为(x，y，z)，颗粒半径为r，药剂颗粒加料模型高度为H，上部开口半径为R_upper，下部开口半径为R_bottom，细长型金属管模型高度为H_cylinder,颗粒质心与z轴间距离为R_xy， 同一 z轴高度的颗粒被允许生成的极限半径R_lim。进一步，步骤3)中所述建立线性接触刚度模型对药剂颗粒模型的具体方法为:使用力与位移接触定律可以计算两颗粒相互作用的接触力:F； = KnUnH式中，J7/为法向接触力；Kn为法向刚度系数;Un为法向接触位移;n为单位法向量；AF/ =ksAU$Γππ9^ F€ — Fe 4- AFcLLKJZd」一 Pm I LSI Λ,式中，Ks为切向接触刚度；Λ Us为相对切向位移增量；为切向接触力增量；F/为当前时步的切向接触力；为前一时步切向接触力，所以颗粒所受合力F为:P = l.: + F;根据颗粒的合力情况可使用牛顿第二定律建立运动方程:F=ma。进一步，步骤4)中所述细长型金属管夯实动作模拟包括有两个阶段:4-1)药剂颗粒的自由落体阶段；4-2 )药剂颗粒底部夯实作用力的施加；所述夯实动作能够识别底部药剂颗粒层，且夯实动作次数、自由落低高度和夯实力均可调。进一步，步骤5)中进行夯实仿真和观察包括有两个阶段:5-1)初始平衡状态仿真和观察，初始平衡状态为加料后初始的平衡状态；5-2)夯实动作完成后的平衡仿真和观察。由于采用了上述技术方案，本专利技术具有如下的优点:1、本专利技术利用计算机模拟夯实动作中细长型金属管内部药剂颗粒的运动和药剂颗粒密度变化过程，为基于冲击振动的夯实装置夯实工艺提供了可行性理论依据；2、实现了为夯实动作中细长型金属管内部药剂颗粒运动的模拟可视化；3、通过仿真和观察,可以确定最佳夯实次数和最佳夯实高度,提高实际夯实工艺的效果。本专利技术的其他优点、目标和特征在某种程度上将在随后的说明书中进行阐述，并且在某种程度上，基于对下文的考察研究对本领域技术人员而言将是显而易见的，或者可以从本专利技术的实践中得到教导。本专利技术的目标和其他优点可以通过下面的说明书和权利要求书来实现和获得。附图说明本专利技术的附图说明如下。图1为细长型金属管药剂夯实状态离散元分析方法的流程示意图；图2为细长型金属管模型演示图；图3为细长型金属管模型；图4为药剂颗粒加料模型边界条件；图5为药剂颗粒加料模型边界条件切面图；图6为药剂颗粒加料模型；图7为药剂颗粒模型演示图；图8为药剂颗粒模型；图9为计算循环过程；图10四次加料夯实完成后颗粒模型；图11为6个测量球孔隙度变化曲线；图12十次夯实工艺模拟后的I号测量球孔隙度变化曲线；图13夯实高度250mm的孔隙度变化曲线；图14夯实高度300mm的孔隙度变化曲线；图15夯实高度350mm的孔隙度变化曲线；具体实施例方式下面结合附图和实施例对本专利技术作进一步说明。—种细长型金属管药剂夯实状态的离散元分析方法，包括:1)细长型金属管模型的建立；2)药剂颗粒加料模型的建立；3)药剂颗粒模型的建立；4)细长型金属管夯实动作模拟建立；5)应用所建立的离散元模型模拟观察夯实动作中细长型金属管内部药剂颗粒的运动、药剂颗粒密度变化过程。本专利技术的离散元分析方法如图1所示。夯实动作主要为垂直自由落体。通过垂直气缸将细长型金属管提升至一定高度，通过气爪夹持细长型金属管，保证自由落体的初始高度，松开气爪后即可实现细长型金属管的自由落体。因此本专利技术从以下五个部分阐述:I)、细长型金属管模型的建立建立圆柱形墙面实现对细长型金属管的模拟，圆柱形墙面为中空状；圆柱形墙面有效侧指向圆柱形墙面内部，实现与圆柱形墙面和内部颗粒间的相互作用；在圆柱形墙面底部建立底端墙面实现对堵头的模拟；底端墙面的有效侧朝上，实现与底端墙面与内部颗粒间的相互作用；细长型金属管易变形，所以其刚度设置数值数量级较底面无限平面低。细长型金属管模型演示图如图2所示；细长型金属管模型如图3所示。2)、药剂颗粒加料模型的建立建立漏斗状墙面实现对药剂颗粒加料模型的模拟，漏斗状墙面上部开口半径比下部开口半径大，位于细长型金属管模型上部；漏斗状墙面有效侧指向漏斗状墙面内部，实现与漏斗状墙面与本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种细长型金属管药剂夯实状态的离散元分析方法，其特征在于，具体分析步骤如下：1）建立细长型金属管模型，采用中空状圆柱形墙面对细长型金属管进行模拟，圆柱型墙面有效侧为圆柱形墙面内壁，在圆柱形墙面底部建立底端墙面对堵头进行模拟，设置底端墙面的有限侧朝上；2）建立药剂颗粒加料模型，采用漏斗状墙面对药剂颗粒加料模型进行模拟，其有效侧为漏斗状墙面内壁，且设定其为药剂颗粒生成的边界条件；3）根据步骤2）中得到的药剂颗粒生成边界条件，建立线性接触刚度模型对药剂颗粒模型进行模拟，分多次生成颗粒，每次生成的颗粒属性相同，设置药剂颗粒模型初始密度与实际松散状药剂颗粒密度接近；4）进行细长型金属管夯实动作模拟；5）利用步骤1）至步骤4）所建立的离散元模型进行夯实仿真，在仿真过程中观察内部药剂颗粒运动和不同高度时的颗粒孔隙度，并采用孔隙度作为衡量夯实动作完成后药剂颗粒密度均匀度的参数指标，验证夯实完成后细长型金属管内部各高度药剂颗粒密度均匀性，从而确定最佳夯实次数和最佳夯实高度。

【技术特征摘要】

【专利技术属性】
技术研发人员：林景栋，吕函珂，谢杨，林湛丁，吴芳，徐春慧，廖孝勇，程森林，张东京，
申请(专利权)人：重庆大学，
类型：发明
国别省市：