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挖泥船绞刀挖岩的离散单元法数值模拟

田蓝 蔡宗熙 张凌博 苏召斌

田蓝, 蔡宗熙, 张凌博, 苏召斌. 挖泥船绞刀挖岩的离散单元法数值模拟[J]. 机械科学与技术, 2019, 38(12): 1805-1811. doi: 10.13433/j.cnki.1003-8728.20190052
引用本文: 田蓝, 蔡宗熙, 张凌博, 苏召斌. 挖泥船绞刀挖岩的离散单元法数值模拟[J]. 机械科学与技术, 2019, 38(12): 1805-1811. doi: 10.13433/j.cnki.1003-8728.20190052
Tian Lan, Cai Zongxi, Zhang Lingbo, Su Zhaobin. Numerically Simulating Rock Cutting Process of Cutterhead of Cutter Suction Dredger with Discrete Element Method[J]. Mechanical Science and Technology for Aerospace Engineering, 2019, 38(12): 1805-1811. doi: 10.13433/j.cnki.1003-8728.20190052
Citation: Tian Lan, Cai Zongxi, Zhang Lingbo, Su Zhaobin. Numerically Simulating Rock Cutting Process of Cutterhead of Cutter Suction Dredger with Discrete Element Method[J]. Mechanical Science and Technology for Aerospace Engineering, 2019, 38(12): 1805-1811. doi: 10.13433/j.cnki.1003-8728.20190052

挖泥船绞刀挖岩的离散单元法数值模拟

doi: 10.13433/j.cnki.1003-8728.20190052
基金项目: 

国家自然科学基金项目 11672202

详细信息
    作者简介:

    田蓝(1994-), 硕士研究生, 研究方向为岩土工程数值仿真, 13820527103@163.com

    通讯作者:

    蔡宗熙, 教授, 博士生导师, zxcai@tju.edu.cn

  • 中图分类号: TV53+5;U616+.5

Numerically Simulating Rock Cutting Process of Cutterhead of Cutter Suction Dredger with Discrete Element Method

  • 摘要: 对挖泥船绞刀挖岩的三维离散单元法数值仿真过程进行了研究,使用离散元软件EDEM通过虚拟休止角试验标定了颗粒及边界的摩擦系数,通过虚拟单轴压缩试验和虚拟巴西圆盘劈裂试验标定了接触模型微观参数,并完成了绞刀挖岩的离散元动态切削仿真。结果显示切削形貌与实际基本相符,扭矩平均值与实验值以及有限元仿真值基本相符,进而验证参数标定的可靠性,对预测绞刀受力具有参考意义;同时不同于有限元仿真,材料破碎后碎屑颗粒依然保持运动,为进一步研究碎屑的导送提供可能。
  • 图  1  Hertz-Mindlin with bonding模型示意图

    图  2  绞刀模型示意图

    图  3  实验混凝土示意图

    图  4  虚拟休止角标定试验测量示意图

    图  5  虚拟单轴压缩试验颗粒床模型及上压缩板所受压力随时间变化

    图  6  试样压断及试样劈裂示意图

    图  7  上压缩板压缩力及纵向平均压缩力分别随时间变化

    图  8  绞刀挖掘过程及挖岩形貌截面图

    图  9  绞刀切削扭矩和切削横力

    图  10  离散元结果同实验及有限元结果对比图

    表  1  混凝土材料参数

    材料参数 材料一 材料二 材料三
    密度/(kg·mm-3) 1 760 1 850 1 970
    弹性模量/MPa 4 030 7 340 15 500
    泊松比 0.33 0.35 0.35
    抗压强度/MPa 2.41 5.34 16.20
    抗拉强度/MPa 0.60 0.95 1.90
    摩擦系数 0.33 0.35 0.35
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    表  2  三组实验的工况参数

    工况参数 材料一 材料二 材料三
    绞刀转速/(r·min-1) 55 55 76
    横移速度/(m·s-1) 0.1 0.1 0.06
    切削面积/m2 0.115 0.082 0.079
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    表  3  离散元颗粒模型参数

    颗粒粒径分布参数 数值及单位
    颗粒半径 15 mm
    期望 1
    方差 0.25
    最大颗粒半径 18.75 mm
    最小颗粒半径 11.25 mm
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    表  4  休止角标定试验参数标定结果

    参数 材料一 材料二 材料三
    试验休止角/(°) 47.5 49.0 50.9
    仿真休止角/(°) 48.0 48.5 52.0
    颗粒间静摩擦系数 0.8 0.8 0.8
    颗粒间滚动摩擦系数 0.25 0.27 0.3
    颗粒与几何体之间的滚动摩擦系数 0.01 0.01 0.01
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    表  5  三种材料虚拟试验结果

    材料 抗压强度/MPa 抗拉强度/MPa
    仿真值 实验值 仿真值 实验值
    2.57 2.41 0.44 0.50
    5.31 5.34 1.05 0.95
    15.60 16.20 2.33 1.90
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    表  6  三种材料接触模型参数标定结果

    参数 材料一 材料二 材料三
    法向刚度/(N·m-3) 7.2×1011 1.25×1012 2.05×1012
    切向刚度/(N·m-3) 1.6×1010 2.5×1010 4.1×1010
    最大法向应力/MPa 7 20 80
    最大切向应力/MPa 0.55 0.9 1.8
    粘结键半径/mm 15 15 15
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  • [1] Vlasblom W J. Relation between cutting, sidewinch and axial forces for cutter suction dredgers[C]//Proceedings of the 15th World Dredging Congress. Las Vegas, Nevada, USA: WDC, 1998: 275-291
    [2] Potyondy D O, Cundall P A. A bonded-particle model for rock[J]. International Journal of Rock Mechanics and Mining Sciences, 2004, 41(8):1329-1364 doi: 10.1016/j.ijrmms.2004.09.011
    [3] 蒋明镜, 方威, 司马军.模拟岩石的平行粘结模型微观参数标定[J].山东大学学报(工学版), 2015, 45(4):50-56 http://www.wanfangdata.com.cn/details/detail.do?_type=perio&id=sdgydxxb201504008

    Jiang M J, Fang W, Si M J. Calibration of micro-parameters of parallel bonded model for rocks[J]. Journal of Shandong University (Engineering Science), 2015, 45(4):50-56(in Chinese) http://www.wanfangdata.com.cn/details/detail.do?_type=perio&id=sdgydxxb201504008
    [4] Cho N, Martin C D, Sego D C. A clumped particle model for rock[J]. International Journal of Rock Mechanics and Mining Sciences, 2007, 44(7):997-1010 doi: 10.1016/j.ijrmms.2007.02.002
    [5] 祝效华, 刘伟吉, 贺显群.基于离散单元方法的岩石切削数值模拟分析[J].应用基础与工程科学学报, 2017, 25(3):509-520 http://www.wanfangdata.com.cn/details/detail.do?_type=perio&id=yyjcygckxxb201703008

    Zhu X H, Liu W J, He X Q. Rock cutting research based on discrete elements method[J]. Journal of Basic Science and Engineering, 2017, 25(3):509-520(in Chinese) http://www.wanfangdata.com.cn/details/detail.do?_type=perio&id=yyjcygckxxb201703008
    [6] Quist J, Evertsson C M. Cone crusher modelling and simulation using DEM[J]. Minerals Engineering, 2015, 85:92-105 http://www.wanfangdata.com.cn/details/detail.do?_type=perio&id=597ab37185a22c5c708bbc62f006d53a
    [7] 刘磊, 高伟, 廖泽楚, 等.基于离散元法的高压辊磨破碎仿真研究[J].湘潭大学自然科学学报, 2017, 39(2):76-80 http://d.old.wanfangdata.com.cn/Periodical/xtdx201702015

    Liu L, Gao W, Liao Z C, et al. Using discrete element method to analyze the breaking of ore in HPGR[J]. Natural Science Journal of Xiangtan University, 2017, 39(2):76-80(in Chinese) http://d.old.wanfangdata.com.cn/Periodical/xtdx201702015
    [8] Abo-Elnor M, Hamilton R, Boyle J T. Simulation of soil-blade interaction for sandy soil using advanced 3D finite element analysis[J]. Soil and Tillage Research, 2004, 75(1):61-73 doi: 10.1016/S0167-1987(03)00156-9
    [9] Bentaher H, Ibrahmi A, Hamza E, et al. Finite element simulation of moldboard-soil interaction[J]. Soil and Tillage Research, 2013, 134:11-16 doi: 10.1016/j.still.2013.07.002
    [10] 张德新.基于二维切削理论的绞刀切削载荷计算及绞刀应力状态的ANSYS分析[D].南京: 河海大学, 2007 http://cdmd.cnki.com.cn/Article/CDMD-10294-2007047355.htm

    Zhang D X. Cutting force Calculation based on 2-D soil-cutting theory and the stress analysis of cutterhead by ANSYS[D]. Nanjing: Hehai University, 2007(in Chinese) http://cdmd.cnki.com.cn/Article/CDMD-10294-2007047355.htm
    [11] Ibrahmi A, Bentaher H, Maalej A. Effect of the design moldboard on the tillage forces[C]//Proceedings of the 5th International Conference on Modeling, Simulation and Applied Optimization. Hammamet, Tunisia: IEEE, 2013: 1-6
    [12] 杨晨, 陈永梅, 吴腾伟, 等.基于LS-DYNA的绞刀土壤切削仿真[J].中国港湾建设, 2017, 37(3):70-74 http://d.old.wanfangdata.com.cn/Periodical/zggwjs201703015

    Yang C, Chen Y M, Wu T W, et al. Cutter-soil cutting simulation based on LS-DYNA[J]. China Harbour Engineering, 2017, 37(3):70-74(in Chinese) http://d.old.wanfangdata.com.cn/Periodical/zggwjs201703015
    [13] 张凌博, 蔡宗熙, 李瑞祥, 等.挖泥船绞刀挖岩过程的数值模拟[J].哈尔滨工程大学学报, 2018, 39(2):371-376 http://d.old.wanfangdata.com.cn/Periodical/hebgcdxxb201802027

    Zhang L B, Cai Z X, Li R X, et al. Numerical simulation of rock cutting process for the cutterhead of cutter suction dredger[J]. Journal of Harbin Engineering University, 2018, 39(2):371-376(in Chinese) http://d.old.wanfangdata.com.cn/Periodical/hebgcdxxb201802027
    [14] 郑琳珠, 胡京招, 梁鑫, 等.绞吸挖泥船绞刀切削过程数值模拟及刀臂曲线优化[J].船海工程, 2017, 46(4):72-76 http://d.old.wanfangdata.com.cn/Periodical/whzc201704016

    Zheng L Z, Hu J Z, Liang X, et al. Numerical simulation of cutting process and optimization of cutter arm curve for the cutter suction dredger[J]. Ship & Ocean Engineering, 2017, 46(4):72-76(in Chinese) http://d.old.wanfangdata.com.cn/Periodical/whzc201704016
    [15] 谢立全, 金鹏, 胡京招, 等.基于三维离散元法的绞刀运转效能分析[J].水运工程, 2018(10):36-42 http://d.old.wanfangdata.com.cn/Periodical/sygc201810007

    Xie L Q, Jin P, Hu J Z, et al. Analysis on efficiency of reamer based on three dimensional discrete element method[J]. Port & Waterway Engineering, 2018(10):36-42(in Chinese) http://d.old.wanfangdata.com.cn/Periodical/sygc201810007
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出版历程
  • 收稿日期:  2018-11-09
  • 刊出日期:  2019-12-05

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