第1章绪论
1.1工程背景
以往的研究中，主要是在实验的基础上，考虑对机械部件的设计进行分析优化，并没有把颗粒物料的作用加以考虑，也没有把颗粒物料与机械部件的相互运动结合起来。因此，从颗粒物质的角度出发，考虑机械中颗粒物料动力学行为，以及对颗粒物料对机械的作用是一个值得深入的课题，并具有明显的实际价值。颗粒物料的卸料过程在生产实际中十分常见。典型的卸料过程有直接卸料和转动卸料。虽然其运动方式简单，但是由于颗粒物质本身具有极其复杂的特性，使得在卸料过程中存在着许多值得我们研究的问题。
1.2颗粒物质的概念
颗粒物质[1]是指颗粒尺度在iMm?100m之间的众多离散固体颗粒子组成的聚集，它们之间的互相作用，形成了具有内在有机联系的复杂系统。颗粒物质普遍存在于自然界中，和我们的生产技术以及日常生活有着紧密地联系。如土壤，沙石，煤炭，矿石，药品，化工用品以及谷物粮食等都属于颗粒物质的范畴。从这个意义来看，颗粒物质是整个地球上拥有量很高的人们较为熟悉的物质。1991年，法国科学家同时也是诺贝尔获得者DeGennes正式给出了颗粒物质的定义。就研究单个的颗粒物质来说，经典力学就其运动状态的分析而作出精确解。然而，面对大量颗粒组成的一个颗粒体系所具有的很多特有性质包括(静力学动力学行为)和运动规律，我们传统的流体力学、固体力学理论还无法对其作出很好的解释。鉴于此，科学界在2005年把颗粒物质与瑞流并列成为了 100个科学难题之一[2]。
就目前来看，人们对颗粒物质认识还十分有限，有待我们进行深入探究，正如德热纳[3]所言“目前的我们对于颗粒物质的认知仍处于上世纪30年代，仅仅是对于固态物理性质认知的水平”。这是因为颗粒系统是由大量的散体颗粒组成的非连续介质体系，有着许多与连续介质体系不同的力学特性。例如，颗粒系统的变形通常表现为两种形式的变化，包括颗粒系统体积变化和形状变化，这主要由颗粒体的自身变形以及颗粒移动产生的整体结构变形引起。这两种形态构成了颗粒系统变性的基本形态。其中结构变形是颗粒运动的结果，可在体积不变的情况下发生，是不可恢复的，且在加载和卸载过程中都会产生，这不同于理想的连续介质材料只有卸载是有弹性变形。而由于单个颗粒自身是一个连续介质，故我们所说的颗粒自身变形指的是由于颗粒自身具有可恢复或不可恢复的变形。目前在颗粒物质体系里并没有明显的弹塑性区分界限，这与理想的连续介质材料也有很大区别。颗粒之间的相互作用是非弹性的，作用力以摩擦力为主。一般颗粒之间的摩擦分为静摩擦和动摩擦，静摩擦指的是当一个系统处于平衡，但非稳定静止状态的时候，颗粒之间产生的摩擦；而动摩擦则是指颗粒之间发生相对运动时导致局部不稳，此时一部分静摩擦会演变为动摩擦。颗粒之间的碰撞一般是非弹性的，而且每次碰撞都会损耗颗粒的能量，在其碰撞的同时，如果外界对其产生干扰，并且干扰超过一定临界值，颗粒物质会演变成像流体一样的运动，而当这些运动是外界输入的能量损耗殆尽，便停止运动，因此从这点来说，颗粒系统是一个能量耗散系统，因此像能量守恒定律和一些建立在弹性相互作用基础上的理论也不适用。此外，由于颗粒系统中颗粒分布的顺序不同，所受到的力也不同，因此颗粒之间的力的传递也相应是不均勻的。颗粒系统中的颗粒会分布在不同层，即便是同一层的颗粒，直接接触也会比另外间接接触的颗粒所受到的力大很多，甚至使这些颗粒发生塑性变形，而另一些颗粒受力则相对会小，甚至不受力。同时颗粒之间力的增大也会使其接触面增大。因此，在颗粒系统中，几种作用在颗粒上的因素之间的关系都是非线性的[4]。
第2章离散单元法的基本原理
2.1离散单元法的基本原理
离散单元法的基本原理是，将研究对象划分为一个个相互独立的单元，根据单元之间的相互作用和牛顿运动定律，采用动态松弛法或静态松弛法等迭代方法进行循环迭代计算，确定在每一个时间步长所有单元的受力及位移，并更新所有单元的位置。所划分的每个单元都有自己独立的运动，通过研究每一个个体便可以得到整体的规律，即可以对各单元的独立运动进行观察分析计算，从而加以综合便可以得到整体的运动规律。我们目前研究所用的离散单元法的理论基础是建立在各单元之间的作用是瞬态平衡，所谓的瞬态平衡也就是瞬间的作用状态看作是平衡状态，当我们研究的整体内部间相互作用力平衡的话，那么该状态就是平衡。在我们选用离散单元法进行研究的时候，不能忽略它的假设前提，首先在时间步长上的选定，以及选取的任何范围内我们假定速度记忆加速度应该保持恒定，同时时间步长应该足够小，因为只有当设定了足够小，才能保证在一个独立的时间步长中，排掉除了选取对象以外其他单元对其的干扰传递。这些假设为离散单元法的应用提供了重要的前提，有着非常重要的地位，在这些假设的引导下，我们可以得出一个结论：即每个单元受力大小只和与其直接接触的单元有关，而不是所有单元。
研究了离散单元法的基本原理，可以引出该基本原理的意义目前主要有两方面意义：其一是对于接触模型的意义，对其分离单元来说，主要应用于接触力的计算；其二便是牛顿第二定律，主要用来求解研究对象的速度、加速度及位移，这和接触模型很很大不同，前者用来求解力，后者则主要是求解速度等要素。在离散单元法的应用上，并不是一成不变的，研究不同的材料或者对象，其依据的模型和方法也不尽相同，例如研究散体颗粒，离散单元法会将个体颗粒看成是独立单元，而当对象是大自然中的岩土问题，那么划分依据便不是颗粒，而是多边形块。之所以离散单元法可以灵活多样应用，和其建立前提是分不开的。
第3章料仓卸料的离散元模拟..........21
3.1 模型建立..........21
3.2料仓卸料过程的模拟结果..........24
3.2.1料仓静态模拟结果..........24
3.2.2料仓动态侧压的模拟结果..........24
3.3不同影响因素下的模拟结果..........30
3.3.1颗粒物料的密度对的料仓侧压的影响..........31
3.3.2漏斗宽度与料仓内径比值对料..........35
3.4 本章小结..........40
第4章回转机械卸料过程的模拟..........41
4.1建立模型..........41
4.2卸料体系卸料过程及模拟结果..........43
4.3不同转速下的模拟结果及分析..........49
4.4改进模型及模拟结果分析..........54
4.5 本章小结..........58
第5章总结与展望..........59
5.1总结..........59
5.2展望..........60
结论
卸料过程在工程问题中十分普遍。常见的卸料方式有直接卸料和回转卸料。以前的研究中大多只在实验的基础上，考虑对机械部件的设计进行优化，并没有把颗粒物料与机械部件的相互运动结合起来，本文从颗粒物质的角度，利用离散单元法，对常见的卸料过程进行仿真模拟。对于直接卸料过程，本文所做的工作以及得到的结论如下：
(1)利用缩小尺寸模型，通过增大颗粒物料的密度，可以反映原料仓的实际受力情况。这说明利用离散元仿真软件模拟料仓的卸料过程是完全可行的，并且能够提供实验和理论解析所不能提供的信息。
(2)料仓的卸料过程中，颗粒物料的运动是随机，速度场呈现出分均匀性，非连续性和非对称性，颗粒物料的流态也表现出上部分整体流动和下部分为管状流动。同时在卸料过程中，颗粒与颗粒之间，颗粒与仓壁之间出现动态的，随机的接触压力网络线。当料仓中的颗粒物料从仓体进入到漏斗时，会出现明显的动态压力拱，在颗粒流速较小处，对应的压力拱明显。
(3)颗粒物料的密度对卸料过程中颗粒物料的流态并没有较大的影响，对其接触力（静态接触力和动态接触力）和速度有较大的影响。随着密度的增加，料仓中的接触力增加，动态压力拱的成拱-破拱循环时间缩短，卸料速度也随之增大；料斗中的漏斗开口处的宽度对卸料过程中颗粒物料的流态影响较大，料仓漏斗开口的宽度越大，卸料时颗粒物料就越难形成动态压力拱，颗粒物料整体流动的部分就会增加，而做管流动的部分就会减小。
参考文献
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