基于EDEM離散元方法的混凝土傳送仿真

摘 要：混凝土是現(xiàn)代工程中用途最廣、需求量最大的一種建筑材料。因此，研究如何改善混凝土輸送的施工技術(shù)對(duì)于提高工程的施工效率有著重要意義。本文采用工地最常用的C30混凝土作為研究的對(duì)象，將混凝土視為混合顆粒流，應(yīng)用離散元軟件EDEM，結(jié)合Hertz-Mindlin顆粒運(yùn)動(dòng)理論，對(duì)輸送帶在輸送過(guò)程中的實(shí)際效率進(jìn)行分析，通過(guò)定量實(shí)驗(yàn)的方法，改變帶式運(yùn)輸機(jī)的皮帶的動(dòng)摩擦靜摩擦系數(shù)，最終得出運(yùn)輸機(jī)實(shí)際傳送效率與動(dòng)摩擦靜摩擦系數(shù)的關(guān)系，找到運(yùn)輸機(jī)最佳動(dòng)摩擦靜摩擦系數(shù)，為實(shí)際應(yīng)用提供理論依據(jù)。

0 引 言

在現(xiàn)代工程中，為了滿足較遠(yuǎn)距離運(yùn)輸混凝土，出現(xiàn)了皮帶運(yùn)輸這種高效的運(yùn)輸方式，通過(guò)皮帶對(duì)混凝土的傳送，解決了較遠(yuǎn)距離運(yùn)輸?shù)碾y題。但是在實(shí)際工程中，有很多因素影響著運(yùn)輸過(guò)程，使運(yùn)輸效率降低，如皮帶的傾斜角度、皮帶的摩擦因數(shù)、混凝土的配合比等因素。我們運(yùn)用理論探索新的數(shù)值模擬方法，通過(guò)仿真來(lái)解決此問(wèn)題。離散單元法是在巖土工程領(lǐng)域里發(fā)展起來(lái)的一種模擬巖土塊體、顆粒群力學(xué)過(guò)程的數(shù)值方法[1]。該方法可以細(xì)致地模擬各離散單元的相互作用。離散元方法完全基于拉格朗日方法模擬顆粒的運(yùn)動(dòng)，通過(guò)跟蹤計(jì)算域中每個(gè)顆粒的運(yùn)動(dòng)軌跡來(lái)模擬整個(gè)計(jì)算域中的顆粒運(yùn)動(dòng)。離散元法已經(jīng)在很多散體物料處理領(lǐng)域得到了成功運(yùn)用，相應(yīng)發(fā)展起來(lái)的離散元軟件有 EDEM，PFC[2]。

EDEM 是世界上第一個(gè)使用最先進(jìn)的離散元技術(shù)進(jìn)行顆粒系統(tǒng)仿真和分析的通用 CAE 軟件。它可以快速、簡(jiǎn)單地建立顆粒系統(tǒng)的參數(shù)化模型，添加顆粒的力學(xué)性質(zhì)、物料性質(zhì)等其它屬性[1]。

本項(xiàng)目選用工地常用C30混凝土作為研究對(duì)象。為研究新拌混凝土的流動(dòng)情況，本項(xiàng)目針對(duì)新拌混凝土的力學(xué)特性和傳輸特性，將混凝土視為混合顆粒流，應(yīng)用離散元軟件EDEM，結(jié)合Hertz-Mindlin顆粒運(yùn)動(dòng)理論，對(duì)輸送帶在輸送過(guò)程中的實(shí)際效率進(jìn)行分析，通過(guò)定量實(shí)驗(yàn)的方法，改變帶式運(yùn)輸機(jī)的皮帶的動(dòng)摩擦靜摩擦系數(shù)，最終得出運(yùn)輸機(jī)實(shí)際傳送效率與動(dòng)摩擦靜摩擦系數(shù)的關(guān)系，找到運(yùn)輸機(jī)最佳動(dòng)摩擦靜摩擦系數(shù)，為實(shí)際應(yīng)用提供理論依據(jù)。

針對(duì)混凝土的流動(dòng)性與，并利用三維建模軟件Solidworks建立混凝土側(cè)壁坍塌建立物理簡(jiǎn)化模型，采用離散元軟件EDEM對(duì)混凝土側(cè)壁坍塌過(guò)程進(jìn)行模擬仿真。結(jié)合相關(guān)試驗(yàn)，驗(yàn)證了仿真分析的可行性。

1 混凝土流動(dòng)性的側(cè)壁坍塌試驗(yàn)研究

良好的均勻性和施工性能是混凝土攪拌的最終目的。混凝土攪拌過(guò)程中物料的攪拌主要伴隨有對(duì)流運(yùn)動(dòng)、剪切運(yùn)動(dòng)和擴(kuò)散運(yùn)動(dòng)。配比為水泥：砂子：碎石=1：1.11：2.72。

通過(guò)配比石子，砂子，水泥，獲得C30混凝土，進(jìn)行實(shí)驗(yàn)，得到混凝土的流動(dòng)性和粘聚性，得到混凝土的側(cè)壁坍塌穩(wěn)定時(shí)的休止角，為仿真提供混凝土數(shù)據(jù)依據(jù)。

標(biāo)定石子數(shù)目為12000，石子的平均粒徑為10mm，質(zhì)量為10kg。根據(jù)C30混凝土0.38：1：1.11：2.72的配合比以此計(jì)算出中砂，C42.5水泥，水的質(zhì)量分別為4.08kg 3.67kg 1.39kg。將它們倒在拌板上用鐵揪邊加水邊攪拌，直至混合物拌合均勻。進(jìn)行側(cè)壁坍塌實(shí)驗(yàn)，得到五組數(shù)據(jù)分別為得到五組數(shù)據(jù)分別為45°，38°，42°，43°，30°，將實(shí)驗(yàn)誤差計(jì)入統(tǒng)計(jì)與計(jì)算，最終得到本實(shí)驗(yàn)得到的休止角為42°，應(yīng)用到仿真實(shí)驗(yàn)中。如圖1所示。

2.建立坍塌和傳送模型

根據(jù)試驗(yàn)制作的側(cè)壁坍塌實(shí)物模型，在幾何建模軟件Solidworks中按等比例建立長(zhǎng)方體三維模型，如圖2所示。

同樣，根據(jù)試驗(yàn)中石子的形狀和尺寸，在Solidworks中建立石子的三維幾何STL模型，特征直徑約為10mm，如圖3所示。

通過(guò)查閱相關(guān)資料以及實(shí)地走訪工地，獲得現(xiàn)實(shí)情況中混凝土皮帶運(yùn)輸機(jī)的參數(shù)，等比例建立三維幾何模型，傳送機(jī)的傾角固定，為10°，如圖4所示。

3. 運(yùn)用EDEM進(jìn)行仿真

3.1基于Hertz-Mindlin JKR的接觸模型

混凝土主要由粒徑不同的石子顆粒組成，混凝土中的水分和水泥起抑制流動(dòng)作用，混凝土物料之間存在如黏結(jié)、碰撞、剪切等相互。黏結(jié)力可以阻止物料顆粒的切向與法向的相對(duì)運(yùn)動(dòng)，當(dāng)外作用力達(dá)到甚至超過(guò)物料顆粒之間的最大法向與切向力時(shí)這種黏結(jié)就會(huì)被破壞掉。Hertz- Mindlin JKR[4]接觸模型的特點(diǎn)恰好符合混凝土顆粒之間接觸的特點(diǎn)。

查閱相關(guān)資料，得到混凝土、有機(jī)玻璃板和水泥地面的密度、泊松比和剪切模量，列于表1中。在EDEM中，需要定義混凝土石子-混凝土石子之間、混凝土石子-有機(jī)玻璃板以及混凝土石子-水泥地面之間的恢復(fù)系數(shù)、靜摩擦系數(shù)和動(dòng)摩擦系數(shù)，以表征不用接觸對(duì)之間的相互作用力，系數(shù)列于表2中。

為了減少仿真計(jì)算量，可以先預(yù)假設(shè)Hertz-Mindlin JKR接觸模型中的表面吸附能量值為0.8J/m2? 1J/m2、1.2J/m2和1.4J/m2[3]，混凝土石子之間的靜摩擦系數(shù)為0.3、0.6，動(dòng)摩擦系數(shù)為0.06、0.12。分別進(jìn)行上述三種參數(shù)的配對(duì)，總共得到16種組合，統(tǒng)計(jì)每種組合下側(cè)壁坍塌后混凝土石子滑落穩(wěn)定后的休止角。將仿真的休止角與試驗(yàn)測(cè)量的休止角進(jìn)行對(duì)比，選擇出與試驗(yàn)最接近的休止角，那么這組參數(shù)即表征了所研究混凝土的流動(dòng)性與粘結(jié)性。

3.2混凝土填充仿真

根據(jù)試驗(yàn)中混凝土物料的配比質(zhì)量，將石子10kg和砂子5kg，合設(shè)為仿真中的石子質(zhì)量15kg。在長(zhǎng)方體有機(jī)玻璃容器的上表面處設(shè)置動(dòng)態(tài)顆粒工廠，石子顆粒在重力作用下的自由下落過(guò)程模擬人工的填料過(guò)程，仿真時(shí)間步長(zhǎng)設(shè)定30%以確保仿真的穩(wěn)定，仿真時(shí)間為6s。最后石子顆粒填充穩(wěn)定后如圖2所示，可見填充高度220mm約為總高度400mm的0.55。輸出6s時(shí)刻的dem文件作為側(cè)壁坍塌仿真的初始輸入文件。如圖五所示。

3.3混凝土側(cè)壁坍塌仿真

將混凝土填充穩(wěn)定后的文件作為側(cè)壁坍塌仿真的輸入文件，刪去顆粒工廠，建立水泥地面，打開長(zhǎng)方體有機(jī)玻璃容器側(cè)壁，如圖4。仿真時(shí)間步長(zhǎng)設(shè)定30%以確保仿真的穩(wěn)定，仿真時(shí)間為3s。不同組合的計(jì)算案例列于表3，等混凝土滑落達(dá)到穩(wěn)定后，在EDEM后處理中測(cè)量石子顆粒傾斜面的休止角。如圖六圖七顯示。

4 仿真結(jié)果分析

設(shè)置三種變量分別為傳送速度，靜摩擦系數(shù)，動(dòng)摩擦系數(shù)為不同的數(shù)值，在混凝土傳送模型的顆粒工廠設(shè)置這些數(shù)值，進(jìn)行仿真?zhèn)魉停褂脵z測(cè)器檢測(cè)傳送所需要的時(shí)間，得到不同的數(shù)據(jù)。

我們運(yùn)用表格將數(shù)據(jù)進(jìn)行整理，繪圖分析，最后得到在兩種不同速度下靜摩擦和動(dòng)摩擦系數(shù)的改變對(duì)傳送時(shí)間的影響，分析結(jié)果如下：

傳送速度不變，靜摩擦系數(shù)相同，動(dòng)摩擦系數(shù)越大，傳送時(shí)間越長(zhǎng)，效率越低;

傳送速度不變，動(dòng)摩擦系數(shù)相同，靜摩擦系數(shù)越大，傳送時(shí)間越短，效率越高;

當(dāng)傳送速度為1m/s，當(dāng)靜摩擦系數(shù)為0.227時(shí)，傳送所需要時(shí)間最短，達(dá)到速率最大;

當(dāng)傳送速度為3m/s，當(dāng)靜摩擦系數(shù)為0.224時(shí)，傳送所需要時(shí)間最短，達(dá)到速率最大;

當(dāng)傳送速度為1m/s，靜摩擦系數(shù)為0.1時(shí)，可以明顯的發(fā)現(xiàn)仿真?zhèn)魉瓦^(guò)程中發(fā)生打滑，根據(jù)理論，可以得出，當(dāng)前實(shí)驗(yàn)的摩擦系數(shù)大于靜摩擦系數(shù)，但是未達(dá)到摩擦系數(shù)，顆粒無(wú)法發(fā)生滑動(dòng)，由此產(chǎn)生了顆粒的積累，造成打滑。通過(guò)對(duì)比3m/s時(shí)的仿真過(guò)程，我們可以基本得出，在低速傳送時(shí)，可將靜摩擦系數(shù)設(shè)置較高，將動(dòng)摩擦系數(shù)設(shè)置較低，這樣可以降低打滑的程度，提高混凝土傳送的效率。

通過(guò)實(shí)驗(yàn)，我們基本得出混凝土傳送帶的動(dòng)摩擦，靜摩擦系數(shù)與傳送效率的關(guān)系，也得到了在實(shí)際應(yīng)用中最佳的系數(shù)設(shè)置，這為我們?cè)趯?shí)際混凝土傳送皮帶的材料設(shè)置中提供了理論依據(jù)，這將大大提高傳送的效率，節(jié)約時(shí)間和成本。如圖8，圖9所示。

參考文獻(xiàn)：

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作者簡(jiǎn)介：

崔聞驊（1998.02.22），女，漢，籍貫：山西省呂梁市中陽(yáng)縣，本科，研究方向：工程管理。