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    答辩PPT-基于离散元法的沥青混凝土切削数值模拟.ppt

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    答辩PPT-基于离散元法的沥青混凝土切削数值模拟.ppt

    基于离散元法的沥青混凝土切削数值模拟,湘潭大学硕士论文答辩,1/31,logo,目录,,简要概述,1,沥青混凝土的离散元模型,2,沥青混凝土切削的离散元数值模拟,3,沥青混凝土切削模拟的正交分析,4,,,,,总结与展望,5,攻读硕士学位期间发表的论文,6,,,2/31,1.1 国内外研究现状,国内外研究现状,,,非接触模型法,,接触模型法,,经验模型法,,有限元法,,离散元法,3/31,1.2研究意义,4/31,1.3 研究的思路和框架,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,最优参数,切削数值模拟,,模型校核,模型建立,,单因素和正交试验法,二维和三维切削对比,模拟试验,校核参数,论证模型参数选取,5/31,混凝土的单轴压缩实验,图3.3 载荷变形曲线,图3.2 单轴压缩破坏图,6/31,对沥青混凝土采用单轴压缩实验的到载荷变形曲线图,由以下公式可以得到沥青混凝土的抗压强度 和弹性模量,对8组实验结果进行计算得到沥青混凝土的抗压强度 和弹性模量 如下表3.1,表3.1 单轴压缩的数据,7/31,沥青混凝土的力学模型,1 集料内部的接触,因切削过程中部分集料会发生破裂,不适合采用Clump颗粒聚来模拟集料,本节采用Cluster颗粒簇来模拟沥青混凝土中的集料。接触粘结模型只能传递力,而不能传递力矩,所以可以用来模拟沥青混凝土中的集料,其颗粒粘结点处的本构特征如图3.7所示,8/31,(a)接触力的法向分量,(b)接触力的切向分量,图3.7 颗粒粘结点处的本构特征,2 集料与集料之间的沥青胶浆接触,沥青混凝土是利用沥青胶浆将集料粘结在一起,具有一定的弹性和韧性,能承受一定的力和力矩,而PFC中的平行粘结模型不但能传递力,也能传递力矩,平行粘结模型一般采用 和 来表示平行粘结模型中的合力和合力矩。,9/31,,图3.8 平行粘结示意图,当且仅当 或者 时,平行粘结键才会发生破坏,从而颗粒间的粘结力和粘结力矩将会变成零。,10/31,沥青混凝土二维离散元模型的建立及校核,,在建立沥青混凝土的二维离散元模型时,我们首先按照以下4个步骤建立其集料模型,在此基础上添加Cluster颗粒簇来代替前面生成的集料。,1.初始化生成的颗粒,2.颗粒重排后的接触力,3.浮动颗粒图,4.制备完成的集料图,5.沥青混凝土二维模型,沥青混凝土二维离散元模型的建立,,11/31,沥青混凝土二维离散元模型的校核,PFC中生成一个模型时,我们无法将颗粒间的微观参数与模型的宏观参数直接联系起来,我们需要建立虚拟的试验来对模型进行校核,沥青混凝土离散元模型的校核一般采用虚拟的单轴压缩试验和巴西劈裂试验。,图3.17 单轴压缩破裂图,图3.18 单轴压缩应力应变曲线,12/31,图3.19 巴西劈裂图,图3.20 轴向力与应变曲线,沥青混凝土二维离散元模型校核结果,表3.6 沥青混凝土二维离散元模型参数对比表,13/31,沥青混凝土三维离散元模型的建立及校核,沥青混凝土三维离散元模型的建立和二维离散元模型的建立步骤一样的,再通过虚拟的单轴压缩和巴西劈裂试验对该模型进行校核,单轴压缩试验校核其抗压强度、弹性模量和泊松比,巴西劈裂试验校核其抗拉强度,其校核的过程如下,图3.21 单轴压缩图,图3.22 单轴压缩应力应变图,14/31,沥青混凝土三维离散元模型校核结果,表3.7 沥青混凝土三维离散元模型参数对比表,图3.23 巴西劈裂图,图3.24 巴西劈裂轴向力与应变曲线,15/31,图4.3 沥青混凝土二维切削模型,沥青混凝土切削模型的建立,在二维模型中选取刀具的平均直径所在的平面作为刀具的简化模型,通过AutoCAD自带的ARX接口将截面信息数据导出来,用这些数据在PFC2D中建立刀具的二维模型,以前一章校核的二维沥青混凝土模型生成10050的模型。,16/31,用PRO/E建立刀具模型,采用STL 文件进行保存,再通过FISH语言编写程序导入到PFC3D软件中建立沥青混凝土的切削模型,该方法能有效解决PFC3D软件本身只能建立单一的平面墙体和圆柱墙体等不足,能够有效地建立复杂的子弹头刀具的形状。再在前一章校核的沥青混凝土三维模型的基础上生成1005050的模型,图4.5 沥青混凝土三维切削模型,17/31,沥青混凝土数值切削模拟及对比,在对沥青混凝土进行二维切削数值模拟时,选用10050的模型,切入角为40,切削深度为5mm切削速度为4m/s。,图4.6 沥青混凝土二维切削图,图4.7 二维切削过程中切削力的变化,18/31,三维的沥青混凝土切削数值模拟采用和二维一样的切削参数,采用40的切入角,切削深度为5mm,切削速度为4m/s,模型的尺寸为1005050。,图4.8 沥青混凝土三维切削图,图4.9 三维切削过程中切削力的变化,19/31,二维和三维的数值切削数值模拟的差别在于(1)二维是单位长度(1m)上所受的力,(2)二维模型中是采用截面建立的,立体几何信息的缺乏。说明二维切削模拟更适合于菱柱形刀具的切削,三维切削模拟适合于铣刨机子弹头刀具的切削。其切削力的对比如表所示。,表4.1 二维和三维的平均切削力对比,通过模拟对比和建模的可行性可知三维模拟的优势(1)三维中颗粒是球体跟能接近实体材料颗粒的组成,颗粒之间的键增加也更符合实际,(2)三维刀具的建模是立体几何模型更能接近实际。,20/31,试验方案的制定,本章将采用正交试验法来分析切削速度 ,刀具切入角 ,切削深度 三个因素对切削力的影响,其正交因素水平表如下。,表5.1 正交因素水平表,沥青混凝切削过程的离散元数值模拟,切削速度对切削力的影响,模拟切削速度对切削力的影响时采用的模拟条件为切削深度为5mm,刀具切入角为40,切削速度的变化范围为4m/s6m/s。,21/31,图5.1 切削速度为4m/s的切削图,图5.2 切削速度为5m/s的切削图,图5.3 切削速度为6m/s的切削图,图5.4 不同切削速度下X方向切削力,22/31,表5.2 不同切削速度下的平均切削力,图5.5 不同切削速度Y方向切削力,23/31,切入角对切削力的影响,模拟刀具切入角对切削力的影响时采用的模拟条件为切削深度为5mm,切削速度为4m/s,刀具切入角的变化范围为4050。,图5.9 不同切入角X方向切削力,图5.10不同切入角Y方向切削力,表5.3 不同切入角下的平均切削力,24/31,切削深度对切削力的影响,模拟切削深度对切削力的影响时采用的模拟条件为切削速度为4m/s,刀具切入角为40,切削深度的变化范围为5mm15mm。,图5.14 不同切削深度X方向切削力,图5.15不同切削深度Y方向切削力,表5.4 不同切削深度下的平均切削力,25/31,沥青混凝切削过程的正交分析,表5.5 正交试验结果统计表,表5.6 正交试验结果分析表,26/31,切削力随因素水平变化曲线,图4.16 各因素中X方向切削力随水平变化趋势图,图4.17 各因素中Y方向切削力随水平变化趋势图,在切削沥青混凝土时,我们希望延长刀具的使用寿命,同时也需要考虑切削效率,所以经过正交分析可以得到最优的组合是,27/31,总结,1,2,3,在万能试验机上对沥青混凝土进行单轴压缩实验,测得沥青混凝土的抗压强度和弹性模量,建立沥青混凝土的二维和三维离散元模型,并通过虚拟的单轴压缩试验和巴西劈裂试验校核模型的抗压强度、弹性模量、泊松比、抗拉强度。,建立沥青混凝土的二维和三维切削模型,并进行切削模拟,对切削力和建立的模型进行分析对比,得出三维能更好的预测子弹头刀具的受力。,4,采用单因素法和正交试验法进行沥青混凝土切削的数值模拟,得到最优的切削参数为,28/31,展望,在建立沥青混凝土离散元模型时,由于多面体的接触判断非常难和现阶段计算机计算能力不足,采用圆盘和球体来代替集料,在以后的研究可以采用形状不一的多面体来建模,,在切削数值模拟时,在切削过程没有考虑切削热产生造成温度的改变而对刀具的影响和对沥青混凝土力学性能的影响,可以在以后的研究中得到完善。,在进行离散元切削模拟时,将刀具看成刚性体,没有考虑刀具在切削过程中的磨损,可以在以后的研究中进行考虑。,29/31,[1] 周里群,李军.沥青混凝土切削过程的离散元仿真[J].机械设计与研究.2013,04.91-93(CSCD核心期刊) [2] 周里群,李军,李玉平.一种钢轮装配机手,CN103144105 A[P]. 2013-06-12(专利),30/31,谢谢,敬请各位专家老师 批评指正,,31/31,

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