[发明专利]斗轮机挖掘取料切削阻力时间历程仿真模型的创建方法

说明书

技术领域

本发明涉及设计分析新型仿真建模技术领域，特别地，涉及一种斗轮机挖掘取料切削阻力时间历程仿真模型的创建方法。

背景技术

斗轮机的设计制造以及理论研究已有100多年历史。这期间，德国学者研究了斗轮机的切削阻力系数与岩石性质之间的关系；前苏联学者提出动载荷的经验公式、挖掘物料黏性与切割力的关系式；我国斗轮机设计通常采用切割阻力系数计算平均切削阻力。这些相关的阻力计算模型建立的方法与公式都与时间变量无关，无法得到时间-载荷历程关系。

人们试图描述斗轮机取料切削阻力时间历程，用以指导设计。困难在于：斗轮挖掘散料时，料堆受力复杂多变，与铲斗的形状、斗齿的布置、切削位置、切削深度、物料性质、切割速度、斗轮的倾角以及工况等等都有关系。由于技术手段的局限，至今尚未见到与工程实际相符的切削阻力仿真模型构建方法。

发明内容

本发明目的在于提供一种斗轮机挖掘取料切削阻力时间历程仿真模型的创建方法，以解决斗轮挖掘散料过程无法使用计算机模型进行仿真的技术问题。

为实现上述目的，本发明提供了一种斗轮机挖掘取料切削阻力时间历程仿真模型的创建方法，包括以下步骤：

A、建造料堆模型：

A1、根据实际料堆的堆积角，确定料堆模型的观堆积体，所述观堆积体由标准几何体组合而成，所述标准几何体的单位为圆球形颗粒单元；

A2、将料堆模型纳入空间直角坐标系，X方向为竖直面的水平方向，Y方向为竖直面的竖直方向，Z方向为垂直竖直面的深度方向，以料堆模型的X、Y、Z坐标方向的尺寸分别为Lx、Ly与Lz，圆球形颗粒单元的半径为R；

则X方向的颗粒单元的个数为

Y方向的颗粒单元的个数为

Z方向的颗粒单元的个数为

则模型颗粒总数N＝Offn+Nx*Ny*Nz-Nw；第i颗粒的坐标Xi＝Offx+Xc，Yi＝Offy+Yc,Zi＝Offz+Zc，i＝1、2、3...N；其中Offx、Offy、Offz为颗粒坐标偏移值，Xc、Yc、Zc为颗粒中心的坐标值，Nw为料堆边界之外的颗粒数，Offn为颗粒数量偏移值；

B、建造铲斗有限单元模型：

B1、取铲斗切削过程中的一个取料时刻作为建模状态；

B2、提取有关挡料板、斗轮体、铲斗形状与斗齿的布置实际尺寸信息，建立铲斗模型；

C、将料堆模型与铲斗有限单元模型组合：

C1、建立一个定位坐标原点，依据斗轮机工作时铲斗切削物料的技术要求，确定料堆模型的圆球颗粒与铲斗模型运动的圆周方向、法线方向与侧向方向的初始位置及边界条件，使得颗粒中心点与单元面接触耦合；

C2、以斗轮轴为转动轴定义一旋转定位矢量，确保铲斗转动轨迹正确；

C3、计算颗粒单元间的摩擦系数μ，μ＝tan(φ)，φ为摩擦角，φ＝堆积角*(0.65—0.75)；物料颗粒单元与铲斗单元面的滑动摩擦系数取μ的1-2倍，滚动摩擦系数取μg＝μ/(5-15)的1-2倍。

优选地，步骤A2所述将料堆模型纳入空间直角坐标系为：

a、按照Y、X、Z方向的顺序依次扫描料堆模型，

建立颗粒单元中心坐标值(Xc，Yc，Zc)；而扫描得到的颗粒单元数量M＝i*j*k，当A2中的Offn＝0时，M大于或等于模型颗粒总数N；当Offn大于0时，M小于N。

b、利用标准几何体空间边界面数学方程的约束表达式去除物料堆之外的颗粒。

优选地，步骤C1所述颗粒中心点与单元面接触耦合为：

设颗粒G与铲斗的一单元面Sm接触，其颗粒中心点法向接触力为与颗粒的位置、单元面Sm的几何形状和材料常数有关，耦合表达式为:

式中K_m,L_m,A_m分别为单元面Sm的体积弹性模量、对角线长度与表面积；l为颗粒G中心到单元面Sm接触点连线矢量；n_m为单元面Sm接触点的法向矢量。

优选地，单元面Sm包含的4个节点与颗粒G的接触力耦合的计算式为：

f₁＝0.25(1+ξ_c)(1+η_c)f_G

f₂＝0.25(1-ξ_c)(1+η_c)f_G