第 1 章 绪论
1.1 课题背景及意义
1.1.1 转载溜槽的研究背景
转载溜槽是散体物料转载系统中的一个装置，其主要对物料起到导流和变向的作用。散料转载系统中8包括料仓、给料机、带式输送机与溜槽等设备，如图1所示，物料的过渡与分流主要依靠溜槽来完成。譬如在散装物料输送过程中，由于工艺设备的高度差，物料就需要凭借自身重力，通过溜槽从一个设备落进另一个设备中。散体颗粒在溜槽中的转载主要由溜槽的尺寸、自身的重力、入料的速度与摩擦力决定。按物料流动的方式不同，溜槽可分为直线形，折线形和螺旋形；根据物料输送过程中，对粉尘量与爆炸系数等的不同要求，可以分为封闭式和敞开式；按照溜槽在装置中的位置不同可分为进料溜槽（或导料槽）和出料槽。不同种类的溜槽分别适用于不同的工作环境，转载系统中的溜槽多采用直线型结构，其制作简单、安装方便，是转载系统中不可或缺的组成部分。在散装物料转载过程中，转载溜槽常常出现阻塞、磨损、粉尘、噪音及皮带和物料本身的磨损等现象[1-4]，如图 2、3 所示。其中粉尘的污染最为突出。以往采用喷水的方式除尘，然而常温下此种方法会增加颗粒的含水量是颗粒的粘度提高，从而出现颗粒粘结、溜槽阻塞等现象的可能性急剧升高；在冬季低温条件下，由于冰冻现象颗粒粘结、溜槽阻塞想象更为明显。因此为了解决以上问题，设计一款流线型转载溜槽是必要的。通过研究散状物料在转载过程中的运行轨迹，分析不同的物料运行速度、输送量、物料性质）与溜槽的尺寸关系[5]，从而设计出无尘、降噪、将磨损的转载溜槽，必将是大势所趋。
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1.2 课题的主要研究方法
1.2.1 离散单元法
离散单元法（Discrete Element Method，DEM）是由 Cundall P. A. 教授于 1971年提出的一种研究散体物料运动形态的分析方法[7]。DEM 的基础理论是基于动力学原理把颗粒离散体分离成独立运动的离散单元的集合，建立每个单元体的数学模型和运动方程，分析每个单元体的接触和分离状态，从而用每个单元体的运动反应整个系统的运动。
1.2.2 离散单元法的发展现状
离散单元法（DEM）被 Cundall.P.A 提出来之后，其计算模型和运算方法一直不断的优化，随着离散元法不断发展产生了许多新的颗粒模型，例如椭球型颗粒模型与均匀化颗粒模型等。由于离散元法的算法方便、简单、高可靠性，在离散粒子分析领域有很大的优势，已成为近年来解决非连续性介质问题十分有效的一种数值模拟方法，并且该方法具有较大的发展应用前景。1978 年 P. A Cundall 和 Strack O. D. L 研究的二维圆形块状模型程序 Ball[8]，可以用来计算散体物料介质的性质，计算分析结果与Drescher 用光弹技术试验得到的结论基本一致[9]，这不但证明了离散单元法的准确性，而且为研究散体颗粒介质与结构的关系提供了新的更准确的解决途径。随着二维离散单元法理论的发展应用，人们对三维离散单元法的需求更加迫切。1988 年 P. A Cundall 发布的三维空间离散单元法的基本理论算法，又同ITASCA 公司共同研发了三维离散单元法的计算程序 3DEC，这使得三维空间问题的离散单元法理论已近于完备。随后美国 ITASCA 公司又进一步完善了 PFC2D( Particle Flow Code in 2 Dimensions)和 PFC3D(Particle Flow Code in 3 Dimensions)方法[10]。这两种计算方法适用于研究颗粒集合块体的破碎问题以及散体颗粒的流动性问题。这两种计算方法提供了一个较为强大而灵活的仿真环境，用户不仅可以通过软件自身携带的语言编译模块建立自己的边界条件模型，还可以根据土壤的破碎和地震效应等方法进行建模。软件在其他广泛领域中的应用完成了离散单元法在生产中的实践，使得离散单元法不断完善。对离散单元法的研究，国内开始于上世纪八十年代，王泳嘉教授首次运用离散单元法理论计算分析了岩石的力学特性和颗粒的系统[11]。王教授还在 1986 年国内的第一届讨论会上首次对离散单元法的基本理论及应用实例进行了介绍。
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第 2 章 离散单元法及其在 EDEM 中的应用
2.1 离散单元法的原理与接触模型
2.1.1 离散单元法的基本原理
离散单元法的原理是把研究对象看作是相互独立的单元体的集合，根据牛顿定律与各个单元体的相互作用，采用迭代计算的相应方法计算，得出每个时间步长内单元体的位移和受力情况，并更新单元体的位置。通过计算每个单元体的运动状态，从而描述整体的运动。离散单元法的前提是：选择适当小的时间步长，从而使得在一个时间步长内，除了同选定单元体直接接触的单元体外，其他单元体的运动都不能传播过来；并假设单个时间步长内颗粒的运动速度与加速度不变。因而任意单元体的受力只与单元体本身和与之接触的单元体有关。离散单元法的基本原理本质上包括牛顿加速度定律和接触计算中的力与位移关系两方面。牛顿加速度定律主要用于求解单元体的位移、速度和加速度，接触模型则用于计算单元体的接触力。因为离散单元法是在牛顿加速度定律与接触算法的基础上建立的，且由于分析研究对象和条件差异，导致计算选择的分析算法与计算模型的差异。例如，在对散体物料的分析中，把单个颗粒作为独立的单元体进行分析；而在研究岩石体系时，则选择单个的多边形块体作为独立的单元体进行分析。
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2.2 EDEM 软件简介
2.2.1 离散单元法求解的组成部分
尽管离散单元法的运算理论比较简单，但是当使用计算机进行运算时，由于所涉及问题的多样性，实施的复杂性，导致运算过程费时费力。离散单元法分析系统大体可分为三部分：核心求解器、前处理模块与后处理模块。系统通过前处理模块收集颗粒初始状态与仿真边界信息等数据，而后把数据传递到核心求解器中进行求解，后处理模块则承担程序与人员的交互以及可视化图像、数据的输出等工作。核心求解器是离散单元法系统的求解模块，每个时间步长内的计算过程主要包括以下方面：1.判断接触、相互关系、物理量计算（以相互关系为控制对象）；2.运动方程的选择、单元体物理量的更新（以单元体数据为控制对象）；3.得出另外的物理场的等效作用，例如应力和应变等；4.计算时间增量。
2.2.2 离散单元法的求解方法
运用离散单元法求解是将求解的整个空间划分为离散的单元体集合，进而根据具体情况运用恰当的连接元件连接相邻的单元体，将相邻单元体间的相对位移看作基本变量，根据受力与位移的关系计算出两相邻两单元体间的法向力与切向力，再将单元体所受到的各方向上的单元体的作用力和其他物理场对此单元体的作用力求合力与合力矩，而后根据牛顿加速度定律求得单元体的相对加速度，再通过积分时间得到单元体的速度和位移。最终得到全部单元体在整个过程中任意瞬态的速度、加速度、角速度、角加速度、位移和转角等数据。离散单元法的迭代方式分为两种，即静态松弛法与动态松弛法。动态松弛法是求解非非线性静力学问题的一种方法，其原理是运用动力学原理在逐步的积分中加入临界阻尼。利用添加阻尼达到抵消系统动能的效果，使整个系统可以收敛到静态值。动态松弛法不用建立大型刚度矩阵，只需求出单元体的运动，因此计算较为简便，数据量也相对较少。因为此方法许可单元体的平移和旋转，因此动态松弛法能够求解繁杂的非线性问题和物理模型。静态松弛法是通过计算块体失去平衡重新恢复平衡时的力与位移的关系。创建隐式的方式进而求解联立方程组，运用迭代计算抵消块体内的剩余作用力与力矩。静态松弛法运算中将粘性阻尼看作为零，因而比动态松弛法较为简单。但是在运用静态松弛法求解时常会出现数值奇异或病态问题。
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第 3 章 散料转载过程的 EDEM 仿真.....15
3.1 转载站与颗粒模型的建立..........15
3.2 模型的初始化与仿真.......16
3.2.1 模型初始化.............17
3.2.2 颗粒模型的建立.....20
3.2.3 转载站模型的建立............22
3.2.4 颗粒工厂的建立.....24
3.3 仿真计算.....26
3.4 小结.............28
第 4 章 转载溜槽的模拟分析.......29
4.1 恒定半径溜槽的分析.......29
4.1.1 不同集料板角度对物料的影响..............29
4.1.2 不同溜槽尺寸的比较........31
4.1.3 不同物料粘度比较.............35
4.2 分段溜槽的分析....37
4.3 小结.............48
第 4 章 转载溜槽的模拟分析
4.1 恒定半径溜槽的分析
转载过程中对物料起集流、整流作用的装置是集料板，其主要作用是改变散体物料的速度与方向。选用集料板的转载系统，物料的运动速度相对较大，因此对物料的流动性研究也更为重要。通过设置不同集料板的角度模拟物料的转载过程，分析比较物料通过集料板后的初速度，得到集料板的角度分别为 10°、15°、20°、25°、30°、35°时的物料初速度的比较图形，如图 31 所示。由上图分析得到，当物料运动稳定后，集料板角度不同对物料速度有直接影响，集料板的角度越大物料通过集料板后的初速度越小，当集料板角度大于 25°时物料的初速度不再变化。物料通过集料板后经过的下一级设备是导料溜槽，物料在通过导料溜槽时会对导料溜槽产生一定的冲击，因此评定集料板角度是否合适的又一标准是导料溜槽所受到物料的作用力，分别比较集料板角度为 15°、20°、25°时导料溜槽的受力变化，如图 32 所示。集料板角度为 15°时，导料槽所受到的物料作用力最大，集料板角度为 25°时，导料槽所受到的物料作用力最小。导料溜槽所受到的物料作用力分为法向作用力和切向作用力，其平均值如表 3 所示。
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结 论
本文阐述了转载系统的发展历程和散料研究方法离散单元法的发展现状，简述了离散单元法的基本原理和求解过程，介绍了离散单元法软件 EDEM 的组成和应用领域。运用三维软件 CREO 建立机械结构和颗粒的模型，并导入到 EDEM 软件中进一步对散料转载过程进行仿真，使散体物料的运动过程可视化，为结构的优化提供了依据。运用离散元 EDEM 软件对散体物料转载过程进行仿真分析为转载设备的设计提供了新方法，弥补了以往单纯从结构入手进行设计的不足，从物料角度分析结构受力为结构的设计提供了更为可靠的依据。通过与真实实验数据比较确定仿真数据是真实可用的，为溜槽的设计提供了依据，总结得出以下结论：1）集料板角度越大物料出料速度越小、导料槽受力越小。当集料板角度大于25°时，物料速度不再变化与导料槽受力较小；2）溜槽半径越大受力越小，半径大于 15 m 后堵料，半径为 10 m 时溜槽受力最小。随溜槽半径增大，受料输送带受力先减小后增大，半径 10 m 时受料输送带受力最小，且物料分布较均匀。3）综合比较不同半径溜槽的转载效果，得出半径较小的溜槽有更好的减速效果但磨损严重，半径较大的溜槽对受料带物料的控制更好。推测分段溜槽的转载效果优于恒定半径溜槽。4）在额定转载高度 5 m 的情况下，曲率半径为 3.5 m 圆心角为 60°的分段溜槽转载效果最好。5）相同曲率半径的不同圆心角的溜槽转载过程中的能量损耗差别不大；不同曲率半径的相同圆心角的溜槽转载过程中的能量损耗随着曲率半径的增大而增加。6）通过比较分析，解决了漏斗和溜槽的应力集中问题，得出弧形转角比折线形转角转载效果更好，能够减少应力集中问题的发生。
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参考文献（略）