基于离散元法计算参数的探讨.pdf

维普资讯 第 26卷第 1期 河南理工大学学报(自然科学版) vo1．26 No．1 2007年 2月 JOURNALOFHENANPOLYTECHNICUNIVERSITY(NATURALSCIENCE) Feb．2007 关于离散元法计算参数的探讨 焦红光 ，李靖如 ，，赵继芬 ，赵跃民 (1．河南N-r大学 材料科学与工程学院，河南 焦作 454003；2．中国矿业大学 化7-学院，江苏 徐州 221008) 摘要：计算时步、接触刚度等计算参数的选取对离散元法解的正确与否至关重要，目前普遍 采用的方法是先确定接触刚度并选取保险系数后 ，按照经验公式求得计算时步，但在保险系 数的设定上有关文献却不尽相 同．作者提出了一种新的方法——恢复系数检验法来选定计算 参数 ．采用离散元法最常用的弹性一阻尼一滑动接触模型编制 了计算程序，以颗粒同静置平 面之间的正碰撞考察了不同计算参数下的模拟结果，除模拟得到恢复系数外，还考察了碰撞 过程的总接触时间和总接触时步数．统计分析结果表明：计算时步是影响模拟精度最重要的 因素；模拟误差还同恢复系数的设定值有关，设定值越大，模拟误差就越小；计算时步的大 小虽然对碰撞过程的总接触时间影响不大，但是却决定 了碰撞过程的总接触时步数 ，二者之 间存在对数线性相关关系， 关 键 词：离散元法；计算参数；数值模拟 ；计算时步；接触刚度 中图分类号：TD94 文献标识码：A 文章编号 ：1673—9787 (2007)01-0088—06 0 引 言 离散元方法 (DiscreteElementMethod或DistinctElementMethod)是20世纪70年代发展起来的 用来计算散体介质系统 (干散体、湿散体或两相悬浮体)力学行为的一种数值方法，有学者把它称之 为粒子动力学方法 (ParticleDynamicsMethod)．DEM 的思想源于较早的分子动力学 (MolecularDy— namics)，其基本思想是把所研究的散体 (或介质)离散为独立的 “单元”或 “粒子”，相邻的单元之 间存在某种或几种作用力，单元的运动受牛顿第二定律的支配，通过跟踪每个 “单元”的微观运动可 以得到模拟对象的力学、热学、物理或化学状态分布及演化规律．由于DEM是在颗粒的尺度上考察 某些量的变化，以及可以利用基本的数据模拟复杂的颗粒流动系统而不需要作过多的假定，并且能够 反映过程的本质机理，因而DEM 的应用范围不断拓展，几乎覆盖了所有的散体物料处理领域，并在 连续介质力学领域也找到了用武之地HI3J． 根据选用接触模型的不同，离散元法模拟的计算参数也略有不同，但无论是何种实例的模拟，计 算时步都是最重要的计算参数，而计算时步的大小又同其他计算参数之间存在着密切的关系．由于计 算参数直接影响着离散元法的模拟结果，因此合理地选定计算参数对离散元模拟成功与否至关重要． 1 DEM 的基本原理和接触模型 DEM 的基本原理是建立在不同本构关系上的牛顿第二定律 ．它把散体看作为有限个基本元件的 组合 ，研究对象不同，DEM 的单元模型也不同，对颗粒系统，单个颗粒 (圆盘或球)为一个单元 ； 对块体系统，单个块体为一个单元．但是对于不同的单元模型，DEM 的原理和计算过程都是一样的， 即根据单元间力的相互作用和牛顿运动定律，采用动态 (或静态)松弛法进行循环迭代计算，在每一 个时步都更新单元的位置，并遍及整个单元集合．通过对系统中的每个单元的微观运动过程进行跟踪 研究，即可得到整个系统的宏观运动规律． 收稿 日期：2006—09—04；修回日期：2006—09—26 基金项 目：国家 自然科学基金重大研究计划资助项 目 ；国家杰 出青年科学基金资助项 目 作者简介 ：焦红光 (1970一)，男，安徽亳州人。博士，工程师，从事选矿设备和工艺教学与研究． E-mail：hpujhg@126．corn 维普资讯 第 1期