面向设计分析的颗粒离散元仿真的接触处理与几何描述方法的研究

Benefits of using simulation of discrete element method (DEM) within a design context are that it can solve problems of large deformation and multi-body contacts, obtain useful immediate information and can reveal the location of critical areas and bottlenecks, and provide a means of looking inside a process and produces information which cannot be obtained experimentally. Methods of contact treatment and geometry description will be studied with an emphasis on particle discrete element method using in design and analysis for mechanical engineering. The main contents include: (1) establishing a DEM contact model for particles and boundary to reflect the physical essential of contact process, and determining contact parameters by means of equivalent stiffness effect, energy dissipation relationship, characteristic equation and experimental testing; (2) implementing a contact detection algorithm for particles and boundary, which will not be depended on geometric characteristics of simulation objects; (3) setting up a three-dimensional boundary model by meshing the complex surface shape through triangular facets; (4) analyzing methods of motion description for the boundary model, and correlating micro mechanical parameters in DEM simulation with macro mechanical parameters of mechanical parts, and (5) programming the algorithm and embedding it into a DEM framework, testing the simulation results and algorithm efficiency through physical experiments. This work is keys for development of algorithm and software for particle discrete element method with an independent intellectual property right; for correct and efficient application of particle discrete element method to design and analysis for mechanical engineering; for understanding of the law of motion, dynamic characteristics and energy distribution characteristics in a complex mechanical system.

颗粒离散元法应用于机械产品设计分析的优势在于能很好的解决大变形和接触问题，能获取不同设计和处理环节中的参数，能提供物理实验不能提供的洞察设计或过程信息的手段。本项目对影响颗粒离散元仿真计算效率与精度的接触处理和几何描述方法等关键问题进行研究：建立反映真实接触物理本质的颗粒-边界的离散元法接触计算模型，按等刚度效应、能量耗散关系、特征方程及实验测试确定接触参数；实现与对象几何特征分离的颗粒-边界的接触判断算法；构建三角面片网格化描述的复杂表面形状三维边界模型；探讨边界模型的运动描述方法，关联分析对象的微观力学参数与机械部件的宏观力学参数；实现算法程序与算法的嵌入，通过物理实验效验算法仿真计算的结果。项目的研究将有助于具有自主知识产权的颗粒离散元算法及软件的研发，有助于颗粒离散元仿真在机械产品设计分析中的正确、高效、深入的应用，有助于了解复杂机械系统的运动规律、动力学特性和能量分布特性。

离散元法是求解与分析复杂离散系统的运动规律与力学特性的一种新型数值方法，为微观力学、散体力学问题的数值求解提供了手段。颗粒离散元法应用于机械产品设计分析的优势在于能很好的解决大变形和接触问题，能获取不同设计和处理环节中的参数，能提供物理实验不能提供的洞察设计或过程信息的手段。.项目的主要研究内容包括：（a）颗粒与颗粒、颗粒与器壁的法向、切向Hertz接触模型、振动运动模型和滑动模型的建立；（b）颗粒接触过程的刚度系数与阻尼系数的分析与法向接触模型；（c）前处理的三维CAD建模与三角面片网格边界模型的研究；（d）运动边界的路径节点位姿的轨迹规划方法的研究；（e）运动描述方法与运动边界的数据结构的研究；（f）螺旋输送、球磨机等仿真结果与物理实验的比较分析和颗粒离散元法拓展。.项目取得的主要研究进展、重要结果、关键数据包括：（a）解决了接触计算模型的接触力异变与不归零问题，在颗粒离散元法的接触计算模型的接触力获得重要结果；（b）通过无量纲化、规整化、归一化处理，获得了接触阻尼项，在粘弹性阻尼系数的求解方面取得重要进展；（c）进行颗粒与颗粒-颗粒与三角面片的相交检测，提高了触判断算法的适应性，实现了颗粒-边界间的接触判断与对象几何特征的分离；（d）进行了恰当的网格与数据处理，满足了网格化的精确性和快捷性要求；设置各路径点按照位姿进行变换求解，完成了边界模型的运动规划。.项目的科学意义或应用前景在于：接触力求解结果能更加准确反映接触过程中的作用力与位移、作用力与时间的关系，可以应用于构建颗粒离散元算法的新的接触力计算模型；在粘弹性阻尼系数的求解方面具有一定的理论意义，有望拓展离散元法的应用领域，丰富其仿真对象。网格化的结果实现了颗粒离散元仿真中机械部件复杂边界的预处理与三维CAD实体边界模型的处理；运动规划的描述使挖掘机的铲斗沿着某条特定的轨迹掘进和转移物料的这类特殊问题的边界得以实现。