射孔间距-倾角对深煤层水力裂缝扩展影响的离散元分析

研究煤岩储层裂缝扩展的影响因素,对提高煤层气采收率十分重要。为探究不同射孔间距-倾角对深层煤岩裂缝扩展规律的影响,利用离散元分析方法,考虑井周煤岩应力变化特征、最大周向应力准则、原始储层等条件,研究射孔间距-倾角对压裂缝网扩展形态及延伸范围的影响规律。模拟结果表明:随射孔间距从40 mm变化至100 mm,当间距为60 mm时裂缝条数数量最多;当射孔倾角从15°到60°变化时,当射孔角度为45°时,缝网形态最为复杂;即射孔间距为60 mm且射孔倾角为θ=45°时,水力裂缝的缝网形态复杂度显著增大,缝网扩展范围最大。通过神府北木瓜区Y-1井验证,预测结果与实测数据具有一致性,证明所建煤岩数值模型的正确性。

基于EDEM离散元技术的大型堆料机输送系统设计与分析

堆料机是现代纺织、化工、矿山、物流等行业的常用输送设备,其堆垛能力是大型堆料机的一项关键指标。为满足新型移动伸缩堆料机900 t/h的高输送能力并解决堆垛过程中物料连续性差、出现堆积与掉落等问题,基于EDEM(event driven execution manager)离散元仿真技术对设计的输送系统进行计算与分析。利用经验公式对输送系统的通过能力进行理论评估;借助EDEM软件设计典型物料形状与颗粒工厂,实现输送系统离散元模型的构建,分析当前系统的物料输送与堆积状态;重点研究输送系统输送速度与托辊槽角对物料断层及堆料能力的影响规律,确定新型堆料机输送系统的最佳工况,这为优化配置输送系统结构及合理确定最佳运行工况提供理论指导。

基于颗粒离散元的碳纤维混凝土盾构管片变形及裂纹扩展特性研究

[目的]南京地铁7号线晓庄站—万寿站区间盾构隧道处于岩层破碎、地下水发育处,该区间地质条件极其复杂,对预制管片抗裂和抗压强度要求较高,而普通混凝土管片无法满足结构抗裂要求,因此提出在混凝土中掺入碳纤维,并对碳纤维混凝土盾构管片变形及裂纹扩展特性进行深入研究。[方法]基于颗粒离散元理论,通过单轴DEM(离散元方法)试验的应力-应变曲线确定混凝土材料平行黏结接触模型的细观强度参数,建立碳纤维混凝土管片抗弯强度试验数值模型,对碳纤维混凝土管片的强度、破坏特征、裂纹扩展模式及变形等进行了分析。[结果及结论]抗弯强度试验数值模拟结果表明:在不同加载工况下,碳纤维对混凝土管片强度的提高作用有限,但碳纤维结构具有较大抗拉强度,显著提高了管片的抗变形和抗断裂能力;掺入碳纤维的混凝土管片在加载过程中,其底部先产生1条竖向张拉裂纹,随着加载的继续,底部产生3条竖向张拉裂纹且未出现压溃现象。当加载达到混凝土极限压应力时,管片出现了压缩裂纹;随着压缩裂纹与张拉裂纹贯穿,此时管片将会达到极限强度破坏状态。在加载过程中,碳纤维混凝土管片中存在变形最小区域,随着加载的持续,其变形最小区域从管片接头端部逐渐向压头位置转移。由此可见,碳纤维混凝土管片能够满足岩层破碎和地下水发育区间隧道的安全性和稳定性要求。

基于离散元模拟的受载裂隙岩体地震学声发射响应特征

为深入分析裂隙岩体受载时声发射震源响应机制,结合地震学中的矩张量理论,提出了从颗粒相对运动角度计算声发射特征的细观离散元模拟新方法。以含预制雁行裂纹岩体为研究对象,利用颗粒流(PFC)数值模拟软件再现了其裂纹扩展过程及力学−变形特征,基于新开发的声发射响应模拟方法计算得到了声发射事件空间演化、震级分布及矩张量取向特征。研究结果表明:单轴压缩条件下,预制雁行裂纹岩石应力在峰值后突降,裂纹迅速扩展形成宏观主破裂,声发射事件激增,峰后脆性破坏特征明显。由PFC软件获取的张拉、剪切裂纹个数在时间上呈相似增长趋势,但张拉裂纹数量远多于剪切裂纹。基于地震学计算得到的声发射矩震级主要集中在[−6.9,−5.9],其分布的GR统计关系斜率b为1.81。声发射矩张量空间取向与试样破裂张剪类型相吻合,表现在:在翼裂纹区域内声发射矩张量以横向为主,张拉破坏多于剪切破裂;而在主裂纹区域矩张量形态杂乱,张拉和剪切破坏占比接近。基于声发射矩张量T-k图和矩张量R值理论判定了不同加载阶段微裂纹张剪属性,其与PFC获取的张、剪裂纹占比变化趋势基本吻合,而两者对比结果表明选用−20<R<20作为张剪裂纹分区区间比Feignier等建议的[−30,30]更为合理。研究成果为精确分析岩体破裂震源特征及张剪属性判识等提供了有益借鉴。

基于离散元法茶园微耕机旋耕刀结构参数优化设计

【目的】解决茶园微耕机旋耕刀切削土壤阻力导致的功耗大问题,提高茶叶生产机械化水平,降低茶叶生产成本。【方法】1)采用EDEM离散元法对旋耕刀进行切土仿真,建立旋耕刀-土壤离散元模型,分析不同旋耕刀的切土性能;2)以旋耕刀的弯折角β、弯折半径r和正切刃端面高度h三个参数为试验因子,以作业功耗为评价指标,采用正交试验方法对旋耕刀结构参数进行优化设计,并进行切削土壤仿真试验,仿真得到优化前旋耕刀平均峰值功耗为1.607 kW。【结果】正交试验结果表明,当弯折角β=114.9°、弯折半径r=29.6 mm、正切刃端面高度h=38.8 mm时,平均峰值功耗取得最小值1.381 kW,旋耕机切削功耗较优化前降低了14.06%,与计算得到的理论值1.370 kW的误差为0.8%。【结论】优化后旋耕刀切削土壤的功耗降低,验证了旋耕刀结构参数优化的合理性,可为茶园微耕机旋耕刀的改进设计提供研究基础。

基于离散元法的砾岩水力压裂裂缝扩展规律及主控因素

砾岩储层普遍具有低孔低渗、非均质性强等特点,地层起裂以及裂缝扩展难以控制,极大影响了砾岩储层的压裂改造效果。为了搞清砾岩储层水力压裂裂缝的形成机制,针对国内典型砾岩储层,采用数值模拟方法研究了砾岩储层裂缝的扩展规律及主要控制因素。结果表明:强度高、尺寸大的砾石对裂缝的阻碍作用较为明显,破裂压力随着砾石的强度和粒径的增大而增大;低胶结强度比有利于砾石对水力裂缝的“吸引”,进而形成曲折的裂缝延伸路径;水平应力差对裂缝延伸方向起主导作用,随着最小水平主应力的减小,地层起裂难度降低;通过随机森林对影响压裂缝扩展因素的重要程度进行分析,认为胶结强度比和水平应力差为影响压裂缝扩展的主要因素。研究成果为砾岩储层压裂的选层提供了理论依据。

基于EDEM的翻板冷却器布料器布料效果的离散元仿真优化

翻板冷却器是一种采用逆流冷却原理的立式冷却设备。为解决翻板冷却器布料不均的问题,更好地适应多形态、多物状的物料,基于EDEM软件,针对以大豆颗粒为代表的颗粒料和以大豆低温粕为代表的粕粉料,对翻板冷却器布料器的布料情况进行了离散元仿真。通过中心组合试验回归分析的方法,以颗粒分布离散率为响应值,对撒料盘与铅锤面的倾斜夹角(简称“撒料倾角”)和转轴转速进行了优化,并将优化结果应用于检疫性大豆灭活工艺冷却工段的翻板冷却器布料器。结果表明:物料类型为以大豆颗粒为代表的颗粒料时,撒料倾角为53.59°、转轴转速为45.91 r/min时布料效果最优,颗粒分布离散率为2.44%;物料类型为以大豆低温粕为代表的粕粉料时,撒料倾角为49.02°、转轴转速为46.45 r/min时布料效果最优,颗粒分布离散率为2.99%。实际工程应用结果表明,大豆颗粒布料总体均匀,冷却情况较好。综上,基于EDEM对翻板冷却器布料器的布料效果进行优化具有可行性和有效性。

基于EDEM的生猪粥料离散元模型参数标定

[目的]建立粥状饲料的离散元模型有助于开发和优化粥料处理设备,获取生猪粥料的离散元仿真模型参数。[方法]通过配制水料比为1.5∶1~2.0∶1的粥状饲料,测定不同水料比粥料的休止角,建立水料比与休止角的回归方程。以水料比1.8∶1的生猪粥料为研究对象,利用EDEM离散元软件,选取“Hertz-Mindlin with JKR”作为接触模型,采用圆筒提升法进行粥料休止角仿真模拟。以饲料颗粒泊松比、剪切模量、颗粒密度,饲料间碰撞恢复系数、静摩擦系数、滚动摩擦系数,饲料-不锈钢间碰撞恢复系数、静摩擦系数、滚动摩擦系数以及JKR(Johnso-Kendall-Roberts)表面能共10个参数作为试验因素,以粥料休止角为评价指标,采用筛选试验设计(Plackett-Burman design)对模型参数进行筛选,采用最陡爬坡试验确定显著性参数的最优值区间,采用响应曲面试验设计(Box-Behnken design)建立休止角与显著参数的二阶回归模型,通过回归模型计算最优显著参数,最后利用最佳参数组合进行仿真休止角验证试验,并与实际试验进行对比。[结果]筛选试验结果表明,对休止角有显著性影响的参数为饲料间静摩擦系数、饲料间滚动摩擦系数和JKR表面能。响应曲面试验得到的显著参数的最优组合为:饲料间滚动摩擦系数为0.3、饲料间静摩擦系数为0.08、JKR表面能为0.008 93 J/m2。验证试验结果表明,仿真试验饲料休止角和实际试验休止角的相对误差为2.45%,且不同方向堆形相似性较高。[结论]基于Hertz-Mindlin with JKR模型标定的离散元参数准确,能较好地模拟生猪粥料的物料性状,该模型可为生猪粥状饲料处理设备的研发和仿真优化提供理论基础。

交叉裂隙岩体裂纹扩展试验及混合有限-离散元数值模拟研究

对预制交叉裂隙岩石试样进行裂纹扩展试验,研究了裂纹萌生、扩展、聚合过程,分析了主裂隙和轴向载荷夹角及主次裂隙夹角对裂纹起裂应力和聚合应力的影响,并用混合有限元-离散元程序,即图形处理器并行化的3D Y-HFDEM代码对试验进行了仿真计算,实现了岩石破坏从连续介质向非连续介质的过渡,对裂纹类及损伤破坏模式进行了识别,捕捉到了试验中难以发现的现象。研究表明:随主裂隙与轴向载荷夹角增加,裂纹聚合区的拉伸裂纹数量增加;裂纹起裂和聚合应力与主裂隙与轴向载荷夹角成正比;主次裂隙夹角增加,岩石的破坏模式由拉伸破坏转为剪切破坏,交叉裂隙加剧岩石破碎程度;主裂隙尖端萌生扩展的拉伸-剪切混合裂缝引起的破坏在岩石破坏中占主导地位,是导致岩体失去承载能力的主控裂纹;混合有限元-离散元仿真软件GPGPU并行化的3D Y-HFDEM IDE在岩石裂纹扩展研究中具有优势,可以捕捉实验室难以发现的损伤断裂类型,可以作为岩石裂纹扩展研究的有力工具。

基于EDEM离散元仿真的振动筛网出料均匀性分析

这里设计了一种双向振动筛网辅助加渣装置,为评价振动辅助筛网加渣的效果,提出了一种基于EDEM离散元仿真和MATLAB数据处理的,出料均匀性可视化和量化分析的方法。利用EDEM软件对筛网辅助加渣过程进行了离散元仿真分析;通过MATLAB数据处理,实现了出口处颗粒累计分布的可视化;采用空间均匀度计算模型计算了出口的颗粒分布均匀度;比较了加双向振动和无振动两种情况下筛网中和出口处的颗粒分布状态、出口颗粒分布均匀度等。结果表明:双向振动的加入使筛网内部和出口的颗粒更为分散,有效提高了筛网辅助加渣系统的出料均匀性。提出的出料均匀性分析方法可实现出料口颗粒分布均匀性的可视化分析和量化分析,为优化设计筛网结构和合理设置筛网辅助加渣过程中筛网振动参数提供理论指导。

基于离散元方法的分级破碎机受力磨损分析

破碎机的工作转速与物料硬度之间的关系直接影响分级破碎设备的齿辊和耐磨衬板的受力和磨损情况。基于离散元仿真软件EDEM,针对不同硬度的颗粒、齿辊的工作转速对分级破碎机的破碎过程进行仿真分析,得到了颗粒的硬度与齿辊和耐磨衬板受力、磨损的关系,为分级破碎机的设计和实际生产提供了理论依据。

基于离散元法的压裂裂缝特征研究

为了探究弱面发育页岩压裂裂缝特征,基于三维块体离散元方法,建立考虑层理弱面和天然裂缝弱面的页岩储集层压裂裂缝扩展模型,分析了不同施工排量、压裂液黏度、层理抗拉强度和天然裂缝内聚力下的压裂裂缝特征。研究表明:高排量泵注和高压裂液黏度能够减少近井筒层理对水力裂缝的限制,增加水力裂缝穿层能力,当压裂液黏度达到10 mPa·s时,水力裂缝能够连续穿过6条层理;与天然裂缝连通的层理,其抗拉强度不是影响自身开启的主要因素;天然裂缝内聚力越大,其抗剪强度越大,开启程度越低。当井筒周围发育层理和天然裂缝时,通过提高前置液阶段排量、增大压裂液黏度,可以促使水力裂缝充分延伸;对于容易形成简单双翼裂缝的页岩储层,在前置液阶段泵注适量酸液,可以溶解天然裂缝填充物,从而达到降低天然裂缝内聚力,增加其开启程度,提高裂缝复杂度的效果。

双轴压缩试验下岩石裂纹扩展的离散元分析

基于颗粒离散元理论,研究含2条预制裂纹的Hwangdeung花岗岩在双轴压缩试验下的裂纹扩展及破坏模式。研究结果表明:围压对岩石裂纹扩展及破坏模式有显著影响;水平预制裂纹对倾斜预制裂纹的保护作用随着围压的增大而增强;且倾角越大,水平预制裂纹的保护作用越明显;当预制裂纹倾角α≤75°时,试验停止时微裂纹数目随围压的增加而增大;而当预制裂纹倾角α=90°时,微裂纹数目先增大后减小;试样的起裂应力都随着围压的增加而增大(除α=75°);试样的峰值强度也均随着围压的增大而增大;预制裂纹倾角不同,围压对试样的起裂应力和峰值强度的影响程度不同;相同围压下,不同预制裂纹倾角试样的起裂应力和峰值强度的大小关系无明显规律,而与其具体破坏模式有关;整体来看,当预制裂纹倾角α=60°时,围压对岩体力学特性影响最大。

基于扩展多面体的离散单元法及其作用于圆桩的冰载荷计算

对于具有复杂几何形态的多面体单元,线性接触模型不能准确地计算不同接触模式下的作用力,且接触变形和作用力方向也不易判断.基于闵可夫斯基和(Minkowski sum)方法的扩展多面体单元能够准确描述非规则颗粒单元的几何形态,并可精确计算单元间的接触碰撞作用.该方法具有接触判断简单、计算效率高的特点.它将基本多面体和扩展球体相叠加以形成具有光滑棱边和角点的扩展多面体单元.考虑扩展多面体单元相互作用过程中角点、棱边和平面之间的不同接触模式,发展了相应的非线性黏弹性接触模型.该接触模型将不同接触模型下的法向刚度统一表述为单元接触中接触点处等效曲率半径的函数;黏滞力和切向弹性力接触模型则借鉴球体单元非线性接触模型的处理方法.为检验扩展多面体的可靠性,对碎冰区冰块对圆桩结构的冰载荷进行了离散元分析.采用沃洛诺伊(Voronoi)切割算法获得了碎冰的初始随机分布状态,并考虑了海冰在运动过程中的海水浮力和拖曳力.计算表明该扩展多面体单元可描述海冰在海流拖曳下的运动过程以及圆桩结构的动冰力特性.在此基础上进一步分析了冰速和冰块尺寸对圆桩冰力的影响,并确定了冰力在圆桩上的分布规律.最后,讨论了目前扩展多面体单元在计算冰载荷方面的局限性和改进方法.

船舶与海洋平台结构冰载荷的高性能扩展多面体离散元方法

船舶与海洋平台结构的冰载荷是寒区海洋工程结构物设计中的关键参数,而离散元方法是有效计算结构冰载荷的重要手段.本文采用基于闵可夫斯基和原理的扩展多面体离散元方法模拟船舶与海洋平台结构的相互作用过程.其中,构造扩展多面体的近似包络函数并建立了基于优化模型的快速接触搜索算法;考虑单元间粘结作用的刚度软化过程建立了单元间的粘结-破碎模型.同时,发展了CPU-GPU协同异构环境下的高性能并行算法.为分析海冰与海洋结构作用中的冰载荷,采用ISO标准验证了扩展多面体离散元分析结构冰载荷的准确性.采用离散元方法计算了船舶结构的冰载荷,研究了船舶结构表明的线载荷分布特点,并采用船舶结构冰阻力经验公式验证了计算结果的合理性.采用离散元方法计算了平整冰区与多桩腿平台结构的相互作用,分析各桩腿上的冰载荷特点.针对碎冰区的海冰管理过程,采用离散元方法分析了船舶结构绕行过程中的船舶和海洋平台结构冰载荷.本文方法可有效应用于海洋结构冰载荷分析,能为极地船舶与海洋平台结构的设计和安全运行提供科学的分析手段.

基于EDEM的内充式花生排种器排种过程的离散元仿真研究

[目的]寻找排种器的最佳排种转速。[方法]建立内充式花生排种器的离散元仿真模型，采用离散元的基本原理，运用EDEM软件对内充式花生排种器排种性能进行仿真研究，测定3种不同品种的花生种子在不同转速时排种器的排种量、清种起始角及清种终止角的变化趋势。[结果]实际转速为15.7-45.5 r/min时排种量随着转速的增大而增加，但与花生的品种无关；清种起始角和终止角也均随转速的增大而增大，但起始角的增大幅度大于终止角，导致清种区域随转速的增大而减小，实际转速为38.0 r/min时双粒率达到最高值、排种均匀性最好，仿真结果与试验结果变化趋势一致。[结论]基于EDEM的离散元仿真方法分析内充式花生排种器是可行的。

基于EDEM离散元法的土肥混合过程分析

研究土壤与肥料的混合过程,可以有效地对土壤进行施肥。建立离散元模型,对螺旋混合轴进行结构设计,得出评估土壤与肥料混合程度的方程;采用EDEM软件对螺旋混合轴的混合效果进行仿真模拟,分析土肥混合过程中颗粒的运动轨迹,得出肥料颗粒在土壤中的变异系数为8.53%,满足施肥后土肥混合要求。最后进行样机试验,试验结果为变异系数为13.8%,土肥混均匀度为86.2%,验证仿真的正确性。

不同应力路径下岩石细观力学性能离散元研究

岩体工程中的应力状态对围岩的稳定性具有重要影响。为研究地下巷道中岩体应力状态对围岩稳定性的影响规律,基于离散元理论,对地下巷道开挖过程的应力状态进行分析,开展了围压卸载—轴压增加、围压卸载—轴压不变和围压卸载—轴压减少3种不同卸载路径下的三轴压缩数值模拟试验,并与常规三轴压缩试验进行对比,分析了不同应力路径下的岩石宏观强度特征及细观损伤过程差异性。结果表明:强度准则和应力张量状态不受卸载路径的影响,但不同应力路径下岩体的损伤过程不同,围压卸载—轴压不变应力路径下的微观裂纹发育最密集,而围压卸载—轴压增加应力路径下的裂纹丛集速度最快。研究结果可为地下巷道开挖过程中的围岩应力卸载破坏分析提供参考。

基于离散元法的钢轨力学性能定性分析

为了更好地了解钢轨的本质特征,分析钢轨在列车荷载作用下的响应以及裂纹的萌生与变化规律,采用离散元法构建钢轨静力学分析模型并研究其静力学特性。通过抗拉强度试验仿真,验证离散元力学参数的可行性;在此基础上,对横纵断面钢轨的最不利状态进行静力加载分析,并进一步探究车轮垂向位移对钢轨裂纹演变规律的影响。研究结果表明:静力加载时,轮轨接触力主要由作用点附近的钢轨颗粒承担,距离作用点较远的钢轨内部颗粒承担的荷载较小;随车轮向下移动,初始阶段钢轨轨头出现小量倾斜,接触面增大而接触应力减小;随车轮位移增加,钢轨轨头和轨腰逐渐出现裂纹,并且裂纹不断扩展;在纵断面钢轨接头处,随车轮垂向位移增加,钢轨承担的荷载由轨头转向轨腰,轨底所承担的轮轨接触力较小;当车轮通过钢轨接头时,由于其对轨缝两侧钢轨分配的荷载不均匀,接头容易产生病害。

基于离散元EDEM的碾米机内物料运动离散元分析研究

基于离散元分析软件EDEM,以碾米机内物料运动为研究对象,通过三维仿真模型的构建,采用离散元数值模拟颗粒流的方法,探索了糙米单颗粒与群体颗粒系统在碾米机内的动态变化过程。结果表明,仿真方法可以实时查看碾白室内糙米颗粒的运动流线形式及速度矢量等运动状态,并得到糙米颗粒及颗粒流速度随时间的变化关系,以及糙米颗粒及颗粒流合力平均值随时间的变化规律。