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基于离散元理论的振动筛分过程数值仿真研究

作　者: 孙鹏
导　师: 杨亚罗
学　校: 昆明理工大学
专　业: 机械制造及其自动化
关键词: 振动筛 离散元法 数值仿真 并行运算
分类号: TH237.6
类　型: 硕士论文
年　份: 2012年
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内容摘要


本文分析了关于振动筛研究的发展情况、离散元法的相关理论以及它们的国内外的研究情况。离散元法是Cundall和Strack在1979年提出的用以研究非连续性颗粒物质结构和运动规律的一种数值计算方法,其基础是牛顿第二运动定律。由于离散元法在解决多颗粒运动分析时对计算量要求较大,对计算机硬件要求较高,所以在理论提出之初没有得到广泛的应用。随着科学技术特别是电子计算机硬件技术的不断发展以及并行运算算法的不断创新,离散元法已经可以初步应用于流体力学和相应的散体力学中,并取得了一定的成果。首先,在离散元理论中离散物质的接触模型是离散元的基础,因此本文通过对比离散元法的线性接触模型和非线性接触模型,并分析了在筛分过程中的主要研究对象的特点,选定Cundall的弹簧—阻尼—滑动接触模型作为我们主要的应用模型。其次,本文在分析了直线振动筛的运动原理以及筛分原理的基础之上编制了基于离散元法的直线振动筛筛分仿真程序,并对程序仿真过程中的离散元小球生成、离散元小球的接触判断以及离散元小球的受力计算算法做了相应的研究。并研究了程序中各执行步骤的逻辑结构以及数据结构用以提高运算效率。讨论了程序各执行阶段之间的算法的优劣。包括离散元物质的生成算法、碰撞判断算法等。对应用CUDA技术对振动筛分仿真程序的优化进行了研究。最后,本文分别仿真了单个颗粒在平面上的弹性运动、弹塑性运动以及滑动；单个颗粒在不同振动筛分参数情况下的运动特点,即不同振动参数对颗粒的速度、抛掷高度的影响；直线振动筛分过程中不同的振动参数对筛分效率的影响。并依据仿真结果给出提高直线振动筛筛分效率的方法。

全文目录


摘要  3-4
Abstract  4-9
第一章 绪论  9-17
  1.1 引言  9
  1.2 国内外研究现状  9-13
    1.2.1 振动筛分理论研究现状  9-11
    1.2.2 离散元法研究现状  11-13
  1.3 选题的目的及意义  13-15
  1.4 本文的研究内容  15-17
第二章 直线振动筛与离散元模型  17-29
  2.1 直线振动筛简介  17-19
  2.2 离散元接触模型及其简化  19-22
    2.2.1 软球模型  20-22
    2.2.2 硬球模型  22
  2.3 碰撞模型的分析和选定  22-27
    2.3.1 碰撞模型的分析  22-24
    2.3.2 软球模型的选择  24-27
  2.4 本章小结  27-29
第三章 离散元振动筛分程序  29-53
  3.1 离散元程序中的数值计算  29-32
    3.1.1 接触力计算  29-30
    3.1.2 弹性系数的确定  30-31
    3.1.3 阻尼系数的确定  31-32
    3.1.4 时步的确定  32
  3.2 坐标系的选择  32-34
    3.2.1 全局坐标与箱体坐标  33
    3.2.2 坐标系的转换  33-34
  3.3 串行算法的编制  34-45
    3.3.1 程序的数据结构  35-36
    3.3.2 离散单元体的生成算法  36-40
    3.3.3 振动筛的驱动方程  40-41
    3.3.4 离散单元体的碰撞判断算法  41-43
    3.3.5 离散单元体与振动筛体的碰撞判断算法  43-45
  3.4 离散元振动筛分算法的改进  45-50
    3.4.1 并行算法  45-46
    3.4.2 CUDA  46-47
    3.4.3 离散元算法的并行优化  47-48
    3.4.4 碰撞判断算法和受力计算的并行化  48-50
  3.5 振动筛数值仿真程序主要函数介绍  50-52
  3.6 本章小结  52-53
第四章 仿真计算结果与分析  53-63
  4.1 单个颗粒与平面碰撞数值仿真  53-56
    4.1.1 单个颗粒在静止平面上的弹性运动  53-54
    4.1.2 单个颗粒在静止平面上的弹塑性运动  54-55
    4.1.3 单个颗粒在静止平面上的滑动  55-56
  4.2 不同振动参数对单个颗粒运动参数的影响  56-59
    4.2.1 振动频率对颗粒运动参数的影响  57
    4.2.2 振幅对颗粒运动参数的影响  57-58
    4.2.3 筛面倾角对颗粒运动参数的影响  58
    4.2.4 振动方向角对颗粒运动参数的影响  58-59
  4.3 直线振动筛筛分效率的仿真  59-62
    4.3.1 颗粒粒度组成对振动筛分效率的影响  60-61
    4.3.2 振动参数对筛分效率的影响  61-62
  4.4 本章小结  62-63
第五章 结论与展望  63-65
  5.1 结论  63
  5.2 展望  63-65
参考文献  65-69
致谢  69-71
附录A 攻读硕士学位期间发表论文  71-72
附录B 攻读硕士学位期间参与项目  72-73
附录C 程序部分源代码  73-105

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中图分类: > 工业技术 > 机械、仪表工业 > 起重机械与运输机械 > 运输机械 > 输送机辅助设备 > 振动筛
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