粘性炭素糊料沖擊壓實機(jī)理及其離散元數(shù)值仿真研究.pdf

1、在鋁電解槽的修筑過程中廣泛采用沖擊壓實方法進(jìn)行炭素糊料的扎固，糊料的扎固質(zhì)量是影響其使用壽命的主要因素之一，因此，糊料扎固問題的研究對提高電解槽壽命具有重要的意義。目前對于糊料在沖擊載荷下的密實過程的研究和應(yīng)用多建立在宏觀假設(shè)和試驗的基礎(chǔ)上，對于糊料沖擊密實的機(jī)理及其與糊料物理力學(xué)特性之間的關(guān)系還未有研究，而且缺乏適宜的數(shù)值模擬技術(shù)，這種研究的滯后嚴(yán)重阻礙了鋁電解自動化生產(chǎn)水平的提高。為了提高鋁電解槽的壽命和經(jīng)濟(jì)效益，采用現(xiàn)代化的技術(shù)手

2、段、先進(jìn)的設(shè)備來提高鋁電解槽扎固的生產(chǎn)水平和生產(chǎn)效益，運用新的理論和技術(shù)對粘性炭素糊料及其扎固進(jìn)行研究勢在必行。 糊料是一種主要由顆粒和孔隙組成的性質(zhì)十分復(fù)雜的熱塑性顆粒材料，其整體性質(zhì)與顆粒的大小、形狀及分布特征等細(xì)觀恃征參數(shù)有關(guān)。在外載荷作用下，這些細(xì)觀參數(shù)將不斷發(fā)生變化，糊料的整體物理力學(xué)性質(zhì)也隨之改變。論文采用細(xì)觀力學(xué)的相關(guān)理論對糊料堆積體在外載荷作用下的動態(tài)行為變化規(guī)律進(jìn)行研究，并考慮到堆積體內(nèi)部細(xì)觀結(jié)構(gòu)的變化特征，將

3、細(xì)觀結(jié)構(gòu)的特征參數(shù)與宏觀力學(xué)量統(tǒng)一起來，建立相適應(yīng)的力學(xué)特性模擬模型，將微觀與宏觀聯(lián)系起來，進(jìn)一步完善了對糊料特性的研究。以力學(xué)模型為基礎(chǔ)，采用離散元方法建立糊料力學(xué)特性的仿真系統(tǒng)，通過力學(xué)試驗擬合糊料的仿真參數(shù)，并采用該系統(tǒng)對糊料的沖擊壓實進(jìn)行模擬。論文的主要研究工作有： 炭素糊料本身的物理和力學(xué)性質(zhì)是糊料扎固的前提和基礎(chǔ)。在已有的研究成果基礎(chǔ)上，對糊料特性的相關(guān)研究成果進(jìn)行綜合比較、分析和總結(jié)，研究了糊料組成、物理力學(xué)特性對

4、糊料及其堆積體力學(xué)特性的影響，為糊料的壓實及其相關(guān)研究提供了科學(xué)依據(jù)。針對糊料的特性對其尺度劃分進(jìn)行了定義，從宏觀和細(xì)觀角度對糊料的壓實變形機(jī)理進(jìn)行分析。 從細(xì)觀角度出發(fā)，對糊料顆粒間的相互作用力進(jìn)行研究，分析顆粒間的主要作用力及其對糊料相互作用的影響。研究糊料顆粒間的接觸力模型，得到適合描述粘性糊料顆粒細(xì)觀接觸的力一位移模型。通過糊料的力學(xué)特性試驗，研究糊料的動態(tài)應(yīng)力應(yīng)變特性。 以糊料力學(xué)特性試驗為基礎(chǔ)，引入顆粒離散元

5、方法建立糊料的細(xì)觀力學(xué)特性仿真模型，探討了系統(tǒng)建立的原理和機(jī)制。根據(jù)糊料的細(xì)觀接觸模型，利用離散元程序PFC的二次開發(fā)接口實現(xiàn)了相對接觸位移計算接觸力的算法。通過分析粘性糊料顆粒的運動、變形以及顆粒間的接觸力及其分布，建立糊料顆粒間的細(xì)觀接觸相互作用與宏觀應(yīng)力應(yīng)變之間的關(guān)系。通過仿真模型改變摩擦系數(shù)、彈性模量、粒徑比等參數(shù)，研究了這些細(xì)觀結(jié)構(gòu)特征的變化對本構(gòu)關(guān)系的影響。 從糊料宏觀變形角度入手，通過室內(nèi)沖擊壓實試驗，對不同壓實參

6、數(shù)情況下糊料的動態(tài)行為變化進(jìn)行了初步試驗研究，確定了其合理范圍。對壓實功、布料厚度等主要影響參數(shù)在其合理范圍內(nèi)采用正交試驗方法進(jìn)行了優(yōu)化試驗。根據(jù)試驗結(jié)果擬合得到了糊料壓實密度與壓實功及布料厚度的關(guān)系式。對不同階段壓實糊料的細(xì)觀特征研究表明，細(xì)觀特征參數(shù)與宏觀變形具有對應(yīng)性。 采用顆粒離散元方法建立了糊料的沖擊壓實仿真系統(tǒng)，研究了顆粒試樣的生成原理及算法，并給出了詳細(xì)的步驟。通過模擬糊料的沖擊壓實過程顆粒的位置、速度圖、位移圖和