为增强振动筛的处理能力,满足钻采过程中的不同工况需求,改善现有钻井液振动筛存在的“筛堵”“跑浆”等问题,提出了一种“直线+变椭圆”的双轨迹钻井液振动筛,并基于离散元方法 (discrete element method, DEM)耦合多体系统动力学(dyna...为增强振动筛的处理能力,满足钻采过程中的不同工况需求,改善现有钻井液振动筛存在的“筛堵”“跑浆”等问题,提出了一种“直线+变椭圆”的双轨迹钻井液振动筛,并基于离散元方法 (discrete element method, DEM)耦合多体系统动力学(dynamics of multi-body system,MBD)的研究方法,对双轨迹振动筛和岩屑颗粒进行联合仿真计算。探究了2种振型下筛网面上的运动轨迹与抛掷指数、筛分过程中多种岩屑颗粒的运动行为以及筛分性能。研究结果发现:变椭圆轨迹下从入料端至出料端筛面的抛掷指数和振动方向角逐渐减小,有利于实现入料端钻井液固液分离与液相透筛,降低出料端岩屑颗粒的破碎和堵筛概率;稳定筛分时,易透筛颗粒基本处于料层底部或已经透筛,难透筛和不透筛颗粒处于料层的中上层;变椭圆轨迹下多种岩屑颗粒的透筛率均高于直线轨迹、平均透筛时间均短于直线轨迹、平均运移速度均大于直线轨迹。研究成果可为钻井液振动筛的性能提升提供参考。展开更多
三轴试验离散元模拟是探究砂土等岩土材料变形破坏机制的一种重要手段,合理地模拟侧向边界是三轴试验离散元模拟的一个重要环节。基于有限差分法(finite difference method,简称FDM)-离散元法(discrete element method,简称DEM)FDM-DEM...三轴试验离散元模拟是探究砂土等岩土材料变形破坏机制的一种重要手段,合理地模拟侧向边界是三轴试验离散元模拟的一个重要环节。基于有限差分法(finite difference method,简称FDM)-离散元法(discrete element method,简称DEM)FDM-DEM耦合开展了柔性侧向边界条件下砂土三轴固结排水和不排水试验的数值模拟,并与相应的刚性侧向边界三轴数值试验进行了对比分析。结果表明:相比刚性侧向边界,基于FDM-DEM耦合的柔性侧向边界三轴试验能更好地再现室内砂土三轴试样的宏观力学响应和微观颗粒运动学特征;对于所模拟的砂土三轴固结排水试验,柔性侧向边界试样峰值强度后的应变软化和剪胀性明显弱于刚性侧向边界试样;对于所模拟的砂土三轴固结不排水试验,当轴向应变较大时,柔性侧向边界试样的偏应力小于刚性侧向边界试样,且产生绝对值较小的负孔压;三轴固结不排水试验中,当轴向应变较大时,柔性侧向边界对试样的约束和支撑作用弱于刚性侧向边界,其力链的稳定性较低,力链屈曲数较多,剪切带形成较早,故其各向异性和偏应力均较低。展开更多
针对茶园耕作过程中因土壤板结粘滞特性导致的机具耕作阻力大、作业质量差等问题,基于鼹鼠爪趾生物力学特征创新设计了一款复合仿生耕作铲,通过四杆机构集成设计研制了新型茶园掘耕机。研究过程中,首先基于离散元法(Discrete element me...针对茶园耕作过程中因土壤板结粘滞特性导致的机具耕作阻力大、作业质量差等问题,基于鼹鼠爪趾生物力学特征创新设计了一款复合仿生耕作铲,通过四杆机构集成设计研制了新型茶园掘耕机。研究过程中,首先基于离散元法(Discrete element method,DEM)与多体动力学(Multi-body dynamics,MBD)耦合算法对仿生掘耕机的耕作过程进行动态模拟分析。同时借助Design-Expert 13试验设计软件,采用三因素三水平正交试验法(耕作铲入土角度、驱动臂转速、机具前进速度)开展整机工作参数优化研究,确定在耕作深度100 mm时,安装复合仿生耕作铲的茶园仿生掘耕机最佳工作参数组合为入土角度33.506°、驱动臂转速289.923 r·min^(-1)、机具行进速度0.2 m·s^(-1)。基于此优化参数,通过土壤颗粒运动速度分布特征进行耕作扰动对比仿真分析。最后开展田间验证试验,结果表明:相较于传统原型铲,装配复合仿生耕作铲的掘耕机减阻率为5.70%,碎土率提升至91.05%,其他作业评价指标均有所提升,工作性能能够满足茶园耕作的要求,验证了其仿生结构设计的有效性与工程实用性。展开更多
结合有限元离散元方法(finite-discrete element method,FDEM),对计算流体力学(computational fluid dynamics,CFD)软件FLOW-3D进行二次开发,建立了基于CFD-DEM的流固耦合模型,模拟了多块石入水、沉降以及触底的动力过程,分析了不同块...结合有限元离散元方法(finite-discrete element method,FDEM),对计算流体力学(computational fluid dynamics,CFD)软件FLOW-3D进行二次开发,建立了基于CFD-DEM的流固耦合模型,模拟了多块石入水、沉降以及触底的动力过程,分析了不同块石等效直径、形状和入水速度对触底速度和反力的影响。研究发现,块石入水后速度迅速减小,并逐渐趋于定值,随后做动态平衡沉降运动,直至与底面发生碰撞。块石抛填的触底速度随等效直径的增大而增大,不同等效直径下球形块石触底速度绝对值最大,其次是纺锤形块石,最小为圆盘形块石。最大触底反力也随等效直径的增大而增大,成非线性关系,通过拟合得到了触底反力的经验公式。显著性分析结果表明,块石等效直径对触底反力影响最大,其次是块石形状,最小为入水速度。展开更多
为深入探究洪水在半封闭式地下空间的水流扩散过程,采用光滑粒子流体动力学(smoothed particle hydrodynamics,SPH)与离散单元法(discrete element method,DEM)耦合的方法,研究洪水侵入地下公交车站的动态过程。通过建立物理模型试验及...为深入探究洪水在半封闭式地下空间的水流扩散过程,采用光滑粒子流体动力学(smoothed particle hydrodynamics,SPH)与离散单元法(discrete element method,DEM)耦合的方法,研究洪水侵入地下公交车站的动态过程。通过建立物理模型试验及数值模拟,对SPH-DEM耦合方法进行标定及验证,证明该方法能有效模拟洪水侵入地下空间的物理力学过程。在此基础上,对比分析洪水从地下公交车站站厅层入口和隧道口灌入2种工况下在半封闭式地下空间的扩散演变规律以及不同类型车辆的动力学响应。研究结果表明:1)在半封闭式地下空间中,私家车相较于公交车面临的风险更高;2)车辆周围的建筑环境对疏散逃生具有显著影响;3)车辆的具体位置是影响疏散逃生效率的关键因素。展开更多
为研究采煤机螺旋滚筒在多种赋存条件下的振动特性,以MG2×55/250–BWD型薄煤层采煤机为工程对象,优化煤岩接触模型,建立与实际赋存条件相似的多种不同截割工况下煤壁离散元模型。结合DEM–MFBD(Discrete Element Method-Multi Flex...为研究采煤机螺旋滚筒在多种赋存条件下的振动特性,以MG2×55/250–BWD型薄煤层采煤机为工程对象,优化煤岩接触模型,建立与实际赋存条件相似的多种不同截割工况下煤壁离散元模型。结合DEM–MFBD(Discrete Element Method-Multi Flexible Body Dynamics)双向耦合数值模拟方法搭建采煤机截割部刚柔耦合虚拟样机模型与煤壁离散元模型的双向耦合试验平台,通过仿真试验得到不同煤岩工况下螺旋滚筒的截割过程,并分别对其振动特性的变化规律展开分析。研究结果表明:螺旋滚筒在截割过程中,三向均出现不同程度的振动,其中截割阻力方向振动加速度最大,牵引阻力方向振动加速度次之,侧向力方向振动加速度最小。随着模型中夹矸硬度以及层数比例的增加,截割过程中螺旋滚筒的振动强度不断加剧,最大振动加速度有效值的差值达到4403.149 mm/s^(2)。利用短时傅里叶变换将一维振动信号转化为二维时频谱图像,得到不同煤岩工况下振动信息变化特征在时频域中完成较好保留,其时频谱图像的特征样本效果优于各工况的时域一维信号曲线,主频能量位置、范围大小、特征团形状等信息具有明显区别,即使遇到夹矸层数不同,夹矸坚固性系数也存在差异的复杂工况,其时频谱图像中能量特征的分布形式也具有显著差别。通过振动模态分析发现,随着煤壁中含有夹矸硬度的增加,各部位的变形量均发生变化,其中截齿部位变化最为强烈。基于相似理论搭建采煤机振动信号测试试验平台,对不同煤岩工况条件下螺旋滚筒截割过程进行了测试研究,通过追踪螺旋滚筒的振动状态,发现其振动变化规律与双向耦合数值模拟一致。试验测试得到DEM–MFBD数值模拟方法获取的螺旋滚筒振动加速度有效值与依据相似比反推的试验数据之间的误差小于DEM离散元数值模拟方法与实验数据之间的误差,验证了DEM–MFBD数值模拟方法的准确性。研究结果对于提升螺旋滚筒工作可靠性具有重要意义,同时也为采煤机智能化开采的煤岩截割状态识别系统搭建过程中数据信息的获取提供了一种新的方法。展开更多
文摘为增强振动筛的处理能力,满足钻采过程中的不同工况需求,改善现有钻井液振动筛存在的“筛堵”“跑浆”等问题,提出了一种“直线+变椭圆”的双轨迹钻井液振动筛,并基于离散元方法 (discrete element method, DEM)耦合多体系统动力学(dynamics of multi-body system,MBD)的研究方法,对双轨迹振动筛和岩屑颗粒进行联合仿真计算。探究了2种振型下筛网面上的运动轨迹与抛掷指数、筛分过程中多种岩屑颗粒的运动行为以及筛分性能。研究结果发现:变椭圆轨迹下从入料端至出料端筛面的抛掷指数和振动方向角逐渐减小,有利于实现入料端钻井液固液分离与液相透筛,降低出料端岩屑颗粒的破碎和堵筛概率;稳定筛分时,易透筛颗粒基本处于料层底部或已经透筛,难透筛和不透筛颗粒处于料层的中上层;变椭圆轨迹下多种岩屑颗粒的透筛率均高于直线轨迹、平均透筛时间均短于直线轨迹、平均运移速度均大于直线轨迹。研究成果可为钻井液振动筛的性能提升提供参考。
文摘三轴试验离散元模拟是探究砂土等岩土材料变形破坏机制的一种重要手段,合理地模拟侧向边界是三轴试验离散元模拟的一个重要环节。基于有限差分法(finite difference method,简称FDM)-离散元法(discrete element method,简称DEM)FDM-DEM耦合开展了柔性侧向边界条件下砂土三轴固结排水和不排水试验的数值模拟,并与相应的刚性侧向边界三轴数值试验进行了对比分析。结果表明:相比刚性侧向边界,基于FDM-DEM耦合的柔性侧向边界三轴试验能更好地再现室内砂土三轴试样的宏观力学响应和微观颗粒运动学特征;对于所模拟的砂土三轴固结排水试验,柔性侧向边界试样峰值强度后的应变软化和剪胀性明显弱于刚性侧向边界试样;对于所模拟的砂土三轴固结不排水试验,当轴向应变较大时,柔性侧向边界试样的偏应力小于刚性侧向边界试样,且产生绝对值较小的负孔压;三轴固结不排水试验中,当轴向应变较大时,柔性侧向边界对试样的约束和支撑作用弱于刚性侧向边界,其力链的稳定性较低,力链屈曲数较多,剪切带形成较早,故其各向异性和偏应力均较低。
文摘结合有限元离散元方法(finite-discrete element method,FDEM),对计算流体力学(computational fluid dynamics,CFD)软件FLOW-3D进行二次开发,建立了基于CFD-DEM的流固耦合模型,模拟了多块石入水、沉降以及触底的动力过程,分析了不同块石等效直径、形状和入水速度对触底速度和反力的影响。研究发现,块石入水后速度迅速减小,并逐渐趋于定值,随后做动态平衡沉降运动,直至与底面发生碰撞。块石抛填的触底速度随等效直径的增大而增大,不同等效直径下球形块石触底速度绝对值最大,其次是纺锤形块石,最小为圆盘形块石。最大触底反力也随等效直径的增大而增大,成非线性关系,通过拟合得到了触底反力的经验公式。显著性分析结果表明,块石等效直径对触底反力影响最大,其次是块石形状,最小为入水速度。
文摘为深入探究洪水在半封闭式地下空间的水流扩散过程,采用光滑粒子流体动力学(smoothed particle hydrodynamics,SPH)与离散单元法(discrete element method,DEM)耦合的方法,研究洪水侵入地下公交车站的动态过程。通过建立物理模型试验及数值模拟,对SPH-DEM耦合方法进行标定及验证,证明该方法能有效模拟洪水侵入地下空间的物理力学过程。在此基础上,对比分析洪水从地下公交车站站厅层入口和隧道口灌入2种工况下在半封闭式地下空间的扩散演变规律以及不同类型车辆的动力学响应。研究结果表明:1)在半封闭式地下空间中,私家车相较于公交车面临的风险更高;2)车辆周围的建筑环境对疏散逃生具有显著影响;3)车辆的具体位置是影响疏散逃生效率的关键因素。
文摘为研究采煤机螺旋滚筒在多种赋存条件下的振动特性,以MG2×55/250–BWD型薄煤层采煤机为工程对象,优化煤岩接触模型,建立与实际赋存条件相似的多种不同截割工况下煤壁离散元模型。结合DEM–MFBD(Discrete Element Method-Multi Flexible Body Dynamics)双向耦合数值模拟方法搭建采煤机截割部刚柔耦合虚拟样机模型与煤壁离散元模型的双向耦合试验平台,通过仿真试验得到不同煤岩工况下螺旋滚筒的截割过程,并分别对其振动特性的变化规律展开分析。研究结果表明:螺旋滚筒在截割过程中,三向均出现不同程度的振动,其中截割阻力方向振动加速度最大,牵引阻力方向振动加速度次之,侧向力方向振动加速度最小。随着模型中夹矸硬度以及层数比例的增加,截割过程中螺旋滚筒的振动强度不断加剧,最大振动加速度有效值的差值达到4403.149 mm/s^(2)。利用短时傅里叶变换将一维振动信号转化为二维时频谱图像,得到不同煤岩工况下振动信息变化特征在时频域中完成较好保留,其时频谱图像的特征样本效果优于各工况的时域一维信号曲线,主频能量位置、范围大小、特征团形状等信息具有明显区别,即使遇到夹矸层数不同,夹矸坚固性系数也存在差异的复杂工况,其时频谱图像中能量特征的分布形式也具有显著差别。通过振动模态分析发现,随着煤壁中含有夹矸硬度的增加,各部位的变形量均发生变化,其中截齿部位变化最为强烈。基于相似理论搭建采煤机振动信号测试试验平台,对不同煤岩工况条件下螺旋滚筒截割过程进行了测试研究,通过追踪螺旋滚筒的振动状态,发现其振动变化规律与双向耦合数值模拟一致。试验测试得到DEM–MFBD数值模拟方法获取的螺旋滚筒振动加速度有效值与依据相似比反推的试验数据之间的误差小于DEM离散元数值模拟方法与实验数据之间的误差,验证了DEM–MFBD数值模拟方法的准确性。研究结果对于提升螺旋滚筒工作可靠性具有重要意义,同时也为采煤机智能化开采的煤岩截割状态识别系统搭建过程中数据信息的获取提供了一种新的方法。
