[發明專利]斗輪機挖掘取料切削阻力時間歷程仿真模型的創建方法

有效

• 申請號: 201510073903.7
• 申請日: 2015-02-12
• 公開（公告）號: CN104615833B
• 公開（公告）日: 2017-12-19
• 發明（設計）人: 孫小衛;王德森;何路茵;丁寧;賀浩
• 申請（專利權）人: 湖南長重機器股份有限公司
• 主分類號: G06F17/50
• 分類號: G06F17/50
• 代理公司: 長沙七源專利代理事務所(普通合伙)43214
• 代理人: 歐穎,鄭雋

技術領域

本發明涉及設計分析新型仿真建模技術領域，特別地，涉及一種斗輪機挖掘取料切削阻力時間歷程仿真模型的創建方法。

背景技術

斗輪機的設計制造以及理論研究已有100多年歷史。這期間，德國學者研究了斗輪機的切削阻力系數與巖石性質之間的關系；前蘇聯學者提出動載荷的經驗公式、挖掘物料黏性與切割力的關系式；我國斗輪機設計通常采用切割阻力系數計算平均切削阻力。這些相關的阻力計算模型建立的方法與公式都與時間變量無關，無法得到時間-載荷歷程關系。

人們試圖描述斗輪機取料切削阻力時間歷程，用以指導設計。困難在于：斗輪挖掘散料時，料堆受力復雜多變，與鏟斗的形狀、斗齒的布置、切削位置、切削深度、物料性質、切割速度、斗輪的傾角以及工況等等都有關系。由于技術手段的局限，至今尚未見到與工程實際相符的切削阻力仿真模型構建方法。

發明內容

本發明目的在于提供一種斗輪機挖掘取料切削阻力時間歷程仿真模型的創建方法，以解決斗輪挖掘散料過程無法使用計算機模型進行仿真的技術問題。

為實現上述目的，本發明提供了一種斗輪機挖掘取料切削阻力時間歷程仿真模型的創建方法，包括以下步驟：

A、建造料堆模型：

A1、根據實際料堆的堆積角，確定料堆模型的觀堆積體，所述觀堆積體由標準幾何體組合而成，所述標準幾何體的單位為圓球形顆粒單元；

A2、將料堆模型納入空間直角坐標系，X方向為豎直面的水平方向，Y方向為豎直面的豎直方向，Z方向為垂直豎直面的深度方向，以料堆模型的X、Y、Z坐標方向的尺寸分別為Lx、Ly與Lz，圓球形顆粒單元的半徑為R；

則X方向的顆粒單元的個數為

Y方向的顆粒單元的個數為

Z方向的顆粒單元的個數為

則模型顆粒總數N＝Offn+Nx*Ny*Nz-Nw；第i顆粒的坐標Xi＝Offx+Xc，Yi＝Offy+Yc,Zi＝Offz+Zc，i＝1、2、3...N；其中Offx、Offy、Offz為顆粒坐標偏移值，Xc、Yc、Zc為顆粒中心的坐標值，Nw為料堆邊界之外的顆粒數，Offn為顆粒數量偏移值；

B、建造鏟斗有限單元模型：

B1、取鏟斗切削過程中的一個取料時刻作為建模狀態；

B2、提取有關擋料板、斗輪體、鏟斗形狀與斗齒的布置實際尺寸信息，建立鏟斗模型；

C、將料堆模型與鏟斗有限單元模型組合：

C1、建立一個定位坐標原點，依據斗輪機工作時鏟斗切削物料的技術要求，確定料堆模型的圓球顆粒與鏟斗模型運動的圓周方向、法線方向與側向方向的初始位置及邊界條件，使得顆粒中心點與單元面接觸耦合；

C2、以斗輪軸為轉動軸定義一旋轉定位矢量，確保鏟斗轉動軌跡正確；

C3、計算顆粒單元間的摩擦系數μ，μ＝tan(φ)，φ為摩擦角，φ＝堆積角*(0.65—0.75)；物料顆粒單元與鏟斗單元面的滑動摩擦系數取μ的1-2倍，滾動摩擦系數取μg＝μ/(5-15)的1-2倍。

優選地，步驟A2所述將料堆模型納入空間直角坐標系為：

a、按照Y、X、Z方向的順序依次掃描料堆模型，

建立顆粒單元中心坐標值(Xc，Yc，Zc)；而掃描得到的顆粒單元數量M＝i*j*k，當A2中的Offn＝0時，M大于或等于模型顆粒總數N；當Offn大于0時，M小于N。

b、利用標準幾何體空間邊界面數學方程的約束表達式去除物料堆之外的顆粒。

優選地，步驟C1所述顆粒中心點與單元面接觸耦合為：

設顆粒G與鏟斗的一單元面Sm接觸，其顆粒中心點法向接觸力為與顆粒的位置、單元面Sm的幾何形狀和材料常數有關，耦合表達式為:

式中K_m,L_m,A_m分別為單元面Sm的體積彈性模量、對角線長度與表面積；l為顆粒G中心到單元面Sm接觸點連線矢量；n_m為單元面Sm接觸點的法向矢量。

優選地，單元面Sm包含的4個節點與顆粒G的接觸力耦合的計算式為：

f₁＝0.25(1+ξ_c)(1+η_c)f_G

f₂＝0.25(1-ξ_c)(1+η_c)f_G