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散体变形理论及挖掘过程动态仿真的研究

作　者: 计三有
导　师: 孙国正
学　校: 武汉理工大学
专　业: 机械设计及理论
关键词: 散体塑性变形本构模型挖掘过程挖掘阻力推压阻力抓斗计算机仿真实验
分类号: TB12
类　型: 博士论文
年　份: 2002年
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内容摘要

散体材料是许多工程机械与散货装卸机械的工作对象与工作介质，散体结构的挖掘与破坏是散体工程中的一个主要工作方式与目的。在挖掘过程中，散粒物料的挖掘阻力直接影响其工作机械的性能与效率，由于散体材料力学特性的复杂性，给挖掘阻力的研究及工程实际应用带来了很大的困难。因此，散体力学特性及挖掘阻力的研究具有重要的理论意义和工程实用价值。针对散体工程中散体的挖掘与破坏课题，本文从以下三个大方面开展了研究：1．研究散粒体的力学特性并探讨其本构关系；2．研究挖掘阻力并建立工程实用的计算模型；3．抓斗取料装置挖掘过程的计算机仿真模型及挖掘过程的实验研究。在理论及实验研究的基础上，取得了一些具有理论意义和工程应用价值的研究成果。本文具体研究内容如下： 1)．分析了散粒体临界状态下的变形特征，应用能量平衡原理导出了临界状态下的变形规律，即散粒体临界状态下的本构关系。该本构模型反映了散体材料的非相关塑性流动，取代了散体极限平衡理论中散体材料服从相关流动法则的假定。指出散粒体临界状态下的主应变率与主应力共轴，而与临界应力面形状无关。给出了临界状态下的能量平衡方程及塑性功与临界应力面的关系。 2)．提出了一种含4个材料常数的亚弹性本构模型，来描述散粒体在加载时的力学行为，本模型的分析结果与不同相对密度下标准砂的三轴实验可较好地吻合，能反映散粒体的剪缩、剪胀现象，还对如何用三轴实验数据来确定这4个材料常数，给出了适宜的计算方法。该模型与W Wu.和D Kolymbas提出的亚塑性本构模型相比，具有形式简单的优点，所提供的材料常数确定方法，克服了亚塑性模型中因选取参考点的不同所确定的材料常数值变化大的弊病。 3)．从理论上论证了经典的塑性极限分析理论中的上、下限定理对散体材料的适用性，并给出了相应的限制条件。建立了挖掘过程推压阻力的计算模型，该模型适用面广、计算较简便，既避免了滑移线适用面窄的局限性、也避免有限元分析对散体渐近破坏过程模拟的复杂计算过程，计算结果与工程实际吻合，具有工程实用价值。 4)．分析了各因素对挖掘过程推压阻力的影响，在此基础上，提出了一武汉理工大学博士学位论文个更为简化的推压阻力计算模型;以该模型为基础，建立了推压阻力系数表，为工程应用提供了方便。同时也得出了一些具有工程实用价值的结论:(1).挖掘过程中存在着一个最优挖掘角度;(2).散体容重y、散体粘结力。联合产生的推压阻力值尸可以近似地表示为散体容重r独立产生的推压阻力值与散体粘结力c独立产生的推压阻力值的迭加。 5).提出了抓斗取料装置挖掘过程中散粒物料破坏模式及其判断准则;提出了斗刃的运动方向与破坏模式的关系;给出了抓斗斗体推压阻力的力学模型。以港口常用的长撑杆双颗板抓斗为典型，建立了力学模型与计算机仿真的数学模型，并编制了相应的计算机仿真程序。挖掘过程仿真结果表明:本文所建立的挖掘过程仿真模型可以反映抓斗实际抓取过程中初始阶段的下挖现象及后期阶段的上移趋势。 6).设计并建立了抓斗挖掘过程及抓取量的实验台，并对抓斗取料过程及抓取量进行了实验研究，得到了抓斗的实际挖掘曲线。实验结果表明:本文所建立的抓斗挖掘过程计算模型与实验结果能较好吻合。

全文目录

第1章绪论  11-25
  1.1 问题的提出  11
  1.2 研究概况及发展趋势  11-23
    1.2.1 散体力学特性及分析方法的研究  12-18
    1.2.2 散体挖掘阻力的研究  18-21
    1.2.3 挖掘过程仿真的研究  21-23
  1.3 研究内容  23-25
第2章散粒体临界状态下的变形规律  25-34
  2.1 引言  25-26
  2.2 临界状态的变形特征及定义  26-28
  2.3 临界状态下的变形规律  28-32
  2.4 小结  32-34
第3章散粒体的亚弹性本构模型  34-43
  3.1 引言  34-35
  3.2 弹性本构模型  35-37
  3.3 散粒体的本构模型及与实验结果的比较  37-42
  3.4 小结  42-43
第4章挖掘过程推压阻力模型研究  43-79
  4.1 引言  43-45
    4.1.1 研究的目的与意义  43
    4.1.2 研究分析方法  43-45
  4.2 塑性极限分析的假设和定理  45-54
    4.2.1 理想塑性假设  45-46
    4.2.2 屈服条件  46-47
    4.2.3 虚功率原理  47-49
    4.2.4 塑性极限载荷的上、下限定理  49
    4.2.5 上、下限定理对散体材料的适用性研究  49-54
  4.3 散体基本破坏模式分析  54-62
    4.3.1 散体破坏载荷求解的主要条件  54-55
    4.3.2 基本破坏模式  55-62
  4.4 推压阻力模型的研究  62-74
    4.4.1 力学模型建立  63-64
    4.4.2 塑性破坏机构的确定  64-65
    4.4.3 相容速度场  65-68
    4.4.4 散体内部的能量耗损率:  68-69
    4.4.5 外力功率  69-70
    4.4.6 推压阻力的计算模型  70-74
  4.5 计算模型的验证  74-78
    4.5.1 与滑移线法的计算结果比较  74-75
    4.5.2 与实验结果比较  75-78
  4.6 小结  78-79
第5章挖掘过程推压阻力的计算仿真及灵敏度分析  79-105
  5.1 引言  79
  5.2 推压阻力的计算仿真  79-80
  5.3 推压阻力的灵敏度分析  80-93
    5.3.1 挖掘深度、散体粘结力及容重对推压阻力的影响  80-81
    5.3.2 散体粘结力及散体容重对推压阻力的联合影响  81-84
    5.3.3 散体的堆积角度对推压阻力的影响  84-86
    5.3.4 挖掘角度对推压阻力的影响  86-88
    5.3.5 散体内摩擦角对推压阻力的影响  88-89
    5.3.6 散体与推压体之间的外摩擦角对推压阻力的影响  89-91
    5.3.7 开度对推压阻力的影响  91-93
  5.4 推压阻力系数计算及应用  93-94
  5.5 小结  94-105
第6章抓斗取料过程的动态仿真  105-124
  6.1 引言  105-106
  6.2 抓斗取料机理  106-107
  6.3 抓斗的推压阻力  107-109
  6.4 斗体的运动方向  109-111
  6.5 斗内散体破坏模式判断准则  111-112
  6.6 抓斗取料过程的动态仿真模型  112-122
    6.6.1 影响抓斗取料性能的主要参数说明  113-114
    6.6.2 抓斗的运动分析及受力分析  114-118
    6.6.3 切入破坏阻力R_c和推压破坏阻力P_c的确定  118-119
    6.6.4 取料轨迹的确定  119-122
  6.7 计算仿真程序的开发及应用实例  122-124
    6.7.1 取料能力的定量分析与检验  122-123
    6.7.2 分析抓斗设计参数及物料参数对取料性能的影响  123-124
第7章挖掘过程的实验研究  124-135
  7.1 引言  124
  7.2 实验方案的设计及实验台建设  124-129
    7.2.1 实验目的  124
    7.2.2 实验方案  124-129
  7.3 挖掘过程的实验结果  129-131
  7.4 挖掘过程的计算仿真与实验结果的比较  131-134
    7.4.1 试验参数  131-132
    7.4.2 计算仿真与实验结果比较  132-134
  7.5 小结  134-135
第8章全文总结  135-138
  8.1 研究成果及结论  135-136
  8.2 研究展望  136-138
致谢  138-139
攻读博士学位期间的科研情况和发表论文情况  139-140
参考文献  140-146

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