答辯ppt-基于離散元法的瀝青混凝土切削數(shù)值模擬

1、基于離散元法的瀝青混凝土切削數(shù)值模擬,湘潭大學(xué)碩士論文答辯,1/31,logo,目錄,,簡要概述,1,瀝青混凝土的離散元模型,2,瀝青混凝土切削的離散元數(shù)值模擬,3,瀝青混凝土切削模擬的正交分析,4,,,,,總結(jié)與展望,5,攻讀碩士學(xué)位期間發(fā)表的論文,6,,,2/31,1.1 國內(nèi)外研究現(xiàn)狀,國內(nèi)外研究現(xiàn)狀,,,非接觸模型法,,接觸模型法,,經(jīng)驗(yàn)?zāi)Ｐ头?,有限元法,,離散元法,3/31,1.2研究意義,4/31,1.3 研究的思路和框架

2、,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,最優(yōu)參數(shù),切削數(shù)值模擬,,模型校核,模型建立,,單因素和正交試驗(yàn)法,二維和三維切削對比,模擬試驗(yàn)，校核參數(shù),論證模型參數(shù)選取,5/31,混凝土的單軸壓縮實(shí)驗(yàn),圖3.3 載荷—變形曲線,圖3.2 單軸壓縮破壞圖,6/31,對瀝青混凝土采用單軸壓縮實(shí)驗(yàn)的到載荷—變形曲線圖，由以下公式可以得到瀝青混凝土的抗壓強(qiáng)度 和彈性模量,對8組實(shí)驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行計(jì)算得到瀝青混凝土的抗壓強(qiáng)度 和彈性模量

3、 如下表3.1,表3.1 單軸壓縮的數(shù)據(jù),7/31,瀝青混凝土的力學(xué)模型,(1) 集料內(nèi)部的接觸,因切削過程中部分集料會(huì)發(fā)生破裂，不適合采用Clump顆粒聚來模擬集料，本節(jié)采用Cluster顆粒簇來模擬瀝青混凝土中的集料。接觸粘結(jié)模型只能傳遞力，而不能傳遞力矩，所以可以用來模擬瀝青混凝土中的集料，其顆粒粘結(jié)點(diǎn)處的本構(gòu)特征如圖3.7所示,8/31,（a）接觸力的法向分量,（b）接觸力的切向分量,圖3.7 顆粒粘結(jié)點(diǎn)處的本構(gòu)特征,(2)

4、 集料與集料之間的瀝青膠漿接觸,瀝青混凝土是利用瀝青膠漿將集料粘結(jié)在一起，具有一定的彈性和韌性，能承受一定的力和力矩，而PFC中的平行粘結(jié)模型不但能傳遞力，也能傳遞力矩，平行粘結(jié)模型一般采用 和 來表示平行粘結(jié)模型中的合力和合力矩。,9/31,,圖3.8 平行粘結(jié)示意圖,當(dāng)且僅當(dāng) 或者 時(shí)，平行粘結(jié)鍵才會(huì)發(fā)生破壞，從而顆粒間的粘結(jié)力和粘結(jié)力矩將會(huì)變成零。,10/31,瀝青混凝土二維

5、離散元模型的建立及校核,,在建立瀝青混凝土的二維離散元模型時(shí)，我們首先按照以下4個(gè)步驟建立其集料模型，在此基礎(chǔ)上添加Cluster顆粒簇來代替前面生成的集料。,1.初始化生成的顆粒,2.顆粒重排后的接觸力,3.浮動(dòng)顆粒圖,4.制備完成的集料圖,5.瀝青混凝土二維模型,瀝青混凝土二維離散元模型的建立,,11/31,瀝青混凝土二維離散元模型的校核,PFC中生成一個(gè)模型時(shí)，我們無法將顆粒間的微觀參數(shù)與模型的宏觀參數(shù)直接聯(lián)系起來，我們需要建立虛

6、擬的試驗(yàn)來對模型進(jìn)行校核，瀝青混凝土離散元模型的校核一般采用虛擬的單軸壓縮試驗(yàn)和巴西劈裂試驗(yàn)。,圖3.17 單軸壓縮破裂圖,圖3.18 單軸壓縮應(yīng)力應(yīng)變曲線,12/31,圖3.19 巴西劈裂圖,圖3.20 軸向力與應(yīng)變曲線,瀝青混凝土二維離散元模型校核結(jié)果,表3.6 瀝青混凝土二維離散元模型參數(shù)對比表,13/31,瀝青混凝土三維離散元模型的建立及校核,瀝青混凝土三維離散元模型的建立和二維離散元模型的建立步驟一樣的，再通過虛擬的單軸壓縮和

7、巴西劈裂試驗(yàn)對該模型進(jìn)行校核，單軸壓縮試驗(yàn)校核其抗壓強(qiáng)度、彈性模量和泊松比，巴西劈裂試驗(yàn)校核其抗拉強(qiáng)度，其校核的過程如下：,圖3.21 單軸壓縮圖,圖3.22 單軸壓縮應(yīng)力應(yīng)變圖,14/31,瀝青混凝土三維離散元模型校核結(jié)果,表3.7 瀝青混凝土三維離散元模型參數(shù)對比表,圖3.23 巴西劈裂圖,圖3.24 巴西劈裂軸向力與應(yīng)變曲線,15/31,圖4.3 瀝青混凝土二維切削模型,瀝青混凝土切削模型的建立,在二維模型中選取刀具的平均直徑所在

8、的平面作為刀具的簡化模型，通過AutoCAD自帶的ARX接口將截面信息數(shù)據(jù)導(dǎo)出來，用這些數(shù)據(jù)在PFC2D中建立刀具的二維模型，以前一章校核的二維瀝青混凝土模型生成100×50的模型。,16/31,用PRO/E建立刀具模型，采用STL 文件進(jìn)行保存，再通過FISH語言編寫程序?qū)氲絇FC3D軟件中建立瀝青混凝土的切削模型，該方法能有效解決PFC3D軟件本身只能建立單一的平面墻體和圓柱墻體等不足，能夠有效地建立復(fù)雜的子彈頭刀具的形

9、狀。再在前一章校核的瀝青混凝土三維模型的基礎(chǔ)上生成100×50×50的模型,圖4.5 瀝青混凝土三維切削模型,17/31,瀝青混凝土數(shù)值切削模擬及對比,在對瀝青混凝土進(jìn)行二維切削數(shù)值模擬時(shí)，選用100×50的模型，切入角為40°，切削深度為5mm切削速度為4m/s。,圖4.6 瀝青混凝土二維切削圖,圖4.7 二維切削過程中切削力的變化,18/31,三維的瀝青混凝土切削數(shù)值模擬采用和二維一樣的切削

10、參數(shù)，采用40°的切入角，切削深度為5mm，切削速度為4m/s，模型的尺寸為100×50×50。,圖4.8 瀝青混凝土三維切削圖,圖4.9 三維切削過程中切削力的變化,19/31,二維和三維的數(shù)值切削數(shù)值模擬的差別在于：（1）二維是單位長度（1m）上所受的力，（2）二維模型中是采用截面建立的，立體幾何信息的缺乏。說明二維切削模擬更適合于菱柱形刀具的切削，三維切削模擬適合于銑刨機(jī)子彈頭刀具的切削。其切削力的

11、對比如表所示。,表4.1 二維和三維的平均切削力對比,通過模擬對比和建模的可行性可知三維模擬的優(yōu)勢：（1）三維中顆粒是球體跟能接近實(shí)體材料顆粒的組成，顆粒之間的鍵增加也更符合實(shí)際，（2）三維刀具的建模是立體幾何模型更能接近實(shí)際。,20/31,試驗(yàn)方案的制定,本章將采用正交試驗(yàn)法來分析切削速度 ，刀具切入角 ，切削深度 三個(gè)因素對切削力的影響，其正交因素水平表如下。,表5.1 正交因素水平表,瀝青混凝切削過程的離散元數(shù)

12、值模擬,切削速度對切削力的影響,模擬切削速度對切削力的影響時(shí)采用的模擬條件為：切削深度為5mm，刀具切入角為40°，切削速度的變化范圍為4m/s~6m/s。,21/31,圖5.1 切削速度為4m/s的切削圖,圖5.2 切削速度為5m/s的切削圖,圖5.3 切削速度為6m/s的切削圖,圖5.4 不同切削速度下X方向切削力,22/31,表5.2 不同切削速度下的平均切削力,圖5.5 不同切削速度Y方向切削力,23/31,切入角對

13、切削力的影響,模擬刀具切入角對切削力的影響時(shí)采用的模擬條件為：切削深度為5mm，切削速度為4m/s，刀具切入角的變化范圍為40°~50°。,圖5.9 不同切入角X方向切削力,圖5.10不同切入角Y方向切削力,表5.3 不同切入角下的平均切削力,24/31,切削深度對切削力的影響,模擬切削深度對切削力的影響時(shí)采用的模擬條件為：切削速度為4m/s，刀具切入角為40°，切削深度的變化范圍為5mm~15mm。,圖5

14、.14 不同切削深度X方向切削力,圖5.15不同切削深度Y方向切削力,表5.4 不同切削深度下的平均切削力,25/31,瀝青混凝切削過程的正交分析,表5.5 正交試驗(yàn)結(jié)果統(tǒng)計(jì)表,表5.6 正交試驗(yàn)結(jié)果分析表,26/31,切削力隨因素水平變化曲線,圖4.16 各因素中X方向切削力隨水平變化趨勢圖,圖4.17 各因素中Y方向切削力隨水平變化趨勢圖,在切削瀝青混凝土?xí)r，我們希望延長刀具的使用壽命，同時(shí)也需要考慮切削效率，所以經(jīng)過正交分析可以得

15、到最優(yōu)的組合是：,27/31,總結(jié),1,2,3,在萬能試驗(yàn)機(jī)上對瀝青混凝土進(jìn)行單軸壓縮實(shí)驗(yàn)，測得瀝青混凝土的抗壓強(qiáng)度和彈性模量,建立瀝青混凝土的二維和三維離散元模型，并通過虛擬的單軸壓縮試驗(yàn)和巴西劈裂試驗(yàn)校核模型的抗壓強(qiáng)度、彈性模量、泊松比、抗拉強(qiáng)度。,建立瀝青混凝土的二維和三維切削模型，并進(jìn)行切削模擬，對切削力和建立的模型進(jìn)行分析對比，得出三維能更好的預(yù)測子彈頭刀具的受力。,4,采用單因素法和正交試驗(yàn)法進(jìn)行瀝青混凝土切削的數(shù)值模擬，得

16、到最優(yōu)的切削參數(shù)為：,28/31,展望,在建立瀝青混凝土離散元模型時(shí)，由于多面體的接觸判斷非常難和現(xiàn)階段計(jì)算機(jī)計(jì)算能力不足，采用圓盤和球體來代替集料，在以后的研究可以采用形狀不一的多面體來建模，,在切削數(shù)值模擬時(shí)，在切削過程沒有考慮切削熱產(chǎn)生造成溫度的改變而對刀具的影響和對瀝青混凝土力學(xué)性能的影響，可以在以后的研究中得到完善。,在進(jìn)行離散元切削模擬時(shí)，將刀具看成剛性體，沒有考慮刀具在切削過程中的磨損，可以在以后的研究中進(jìn)行考慮。,29/