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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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出版历程
  • 收稿日期:  2018-11-09
  • 刊出日期:  2019-12-05

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