基于EDEM 的水泥團破碎過程模擬＊

付 石

（長安大學，陜西 西安 710064）

水泥混凝土是水泥、水、沙、石、添加劑等按照適當比例配合，經過均勻攪拌、密實成型及養護硬化過程而成的人造石材，廣泛應用于我國工農、交通、國防、水利、市政等建設工程中[1]。現有研究發現水泥混凝土在攪拌后，肉眼觀察到的水泥混凝土中的水泥漿用微觀顯微鏡觀察，發現其中有10%～30%的水泥團聚在一起，并沒有均勻分散在水中，而是形成了微小的干粉團和絮凝團，對混凝土的強度和工程耐久性產生不利影響。因此，利用EDEM 軟件和離散單元法建立水泥團粒模型，采用不同轉速分別模擬計算，探究其對水泥團粒破碎情況的影響，有著十分重要的意義。

1 EDEM離散元仿真模型建立

攪拌過程中的水泥漿涉及到兩種需要混合的顆粒相，一種是單個水泥，另一種是水泥團。常使用EDEM 軟件在水泥團幾何模型中用單個水泥顆粒覆蓋、分散來填充建立水泥團幾何模型，如圖1所示。

圖1 水泥團創建

EDEM計算過程中，工廠無法產生水泥團，此時需要插入API來進行顆粒替換。當到達設置的替換時間時，會將之前的被替換顆粒移除，替換成水泥團，如圖2所示。

圖2 顆粒替換

2 顆粒粘結計算

EDEM 仿真計算過程中，所構建的水泥團只有盡可能貼近實際情況，才能保證計算的準確性，結果的可靠性。因此，需要合理確定水泥、水泥團和攪拌設備幾何模型的本征參數、基本接觸參數和接觸模型參數等。為簡化計算過程，文章采用球形顆粒分別替代單個水泥和水泥團，粒徑分別為0.25 mm、1.5 mm。查閱文獻手冊[2]，材料本征參數如表1所示，材料間屬性參數如表2所示。

表1 材料本征參數表

表2 材料間接觸屬性表

3 仿真計算參數設置

求解模塊下需設置Rayleigh 時間步長、數據保存間隔和網格劃分等計算參數。Fixed Time Step指一次計算到下一次計算之間的時間間隔。離散元法中，理想化時間步長是Rayleigh（瑞利）時間步長，瑞利時間步長指的是剪切波在一個固體球形顆粒表面傳播所用的時間。時間步長若設置過大，數據采集相對發散，計算不準確；若設置過小，則會大大增加計算工作量。工程一般選取5%～40%的瑞利時間步以保證仿真的穩定性與準確性。本文仿真時間步長設置為瑞利時間步長的30%，總仿真時間為2 s，數據保存間隔為0.01 s。

網格劃分直接影響計算機仿真時間，網格劃分過大會遺漏很多顆粒之間的碰撞計算，造成結果不準確；網格劃分過小又會大大增加仿真時間。一般網格單元的總數目要小于100 000，本文運用計算機Lenovo-air14，8核并行計算。

4 水泥團粒破碎

通過對500 rpm 和700 rpm 攪拌轉速的情況進行計算，觀察水泥團粒破碎過程，并引入破碎百分比參數，綜合分析兩種不同轉速下水泥團間粘結鍵存留數，探究攪拌轉速對水泥團破碎過程的影響[3-4]。下圖3 和圖4 分別為攪拌葉片孔徑為20 mm，攪拌轉速分別為500 rpm 和700 rpm 下的水泥團粒粘結鍵變化圖。表3為粘結鍵破碎情況。

圖3 轉速500 rpm 下水泥團粒粘結鍵變化

圖4 轉速700 rpm 下水泥團粒粘結鍵變化

表3 粘結鍵破碎情況表

5 結論

綜上所述，其他參數不變，攪拌轉速一定時，水泥間粘結鍵的存留數會隨時間步的變化呈現先快速下降后緩慢下降最終速度趨于穩定的情況。隨著攪拌轉速的提高，水泥團的破碎效果增強。這是因為增加轉速會在一定時間內使得葉片和水泥團的碰撞頻率增加，水泥團破碎效果變好。同時，隨著葉片轉速的增加，攪拌軸周圍低效區的影響減弱，有利于水泥漿微觀均勻性的提高。