基于离散元-机器学习的铝土矿矿柱强度预测方法

矿柱极限承载能力与矿柱尺寸参数密切相关,科学地预测矿柱强度是空场法安全高效开采铝土矿的关键。为了准确高效地预测矿柱强度,融合运用离散元方法(DEM)的模型参数化、样本数据强扩展性与机器学习(ML)方法的数据驱动优势,选取矿柱尺寸参数(长、宽、高)作为影响因子,开发了Grasshopper参数化建模电池组,实现了等块体密度的矿柱黏合块体模型(BBM)的参数化构建,结合矿体节理分布特征实测结果,利用3DEC程序构建了300组黏合块体-离散裂隙网络(BBM-DFN)矿柱离散元数值模型,开展了矿柱承载特性试验,监测并建立了机器学习数据集,且验证了此数据集的可靠性;分别以支持向量机(SVM)、BP神经网络、随机森林(RF)、高斯过程回归(GPR)4种算法构建了矿柱强度预测模型,根据回归类模型评价指标(判定系数R2、可解释方差E_(EVS)、平均绝对误差E_(MAE)、均方误差E_(MSE))开展了最优模型的评选,结合改进的量子粒子群智能优化算法(IQPSO)进一步优化模型,利用该模型建立了矿柱影响因子与强度之间的非线性映射关系。研究表明:由矿柱强度参数化模拟结果可知,随着矿柱宽高比增加强度显著提升,长宽比对强度影响幅度相对较小,当矿柱高度和横截面积相同时,不同截面矿柱承载能力依次为:正方形>长方形;当矿柱宽高比大于1时,方形截面矿柱强度影响因子敏感性主次顺序为:矿柱宽(长)度>矿柱高度;根据机器学习算法指标综合评价,SVM模型是矿柱强度预测的最佳模型(R^(2)=0.953、E_(EVS)=0.953、E_(MAE)=0.608、E_(MSE)=0.551),结合IQPSO算法优化后模型预测性能得到了进一步提升(R2=0.985、E_(EVS)=0.986、E_(MAE)=0.373、E_(MSE)=0.239);将IQPSO-SVM矿柱强度预测值与3种经典硬岩矿柱强度公式计算结果进行了讨论分析,得出了Hedley公式针对铝土矿强度计算不适用,Krau-land公式适用于宽高比小于4时,Esterhuizen公式可通过调整不连续因子(F)进行较为准确的强度计算。研究成果为硬岩矿柱强度的预测提供了一种解决方案,拓宽了矿柱(群)稳定性评价的思路。

基于离散元方法的复合绝缘子表面污秽沉积模型

污秽颗粒在复合绝缘子表面的沉积会影响其电气特性,导致沿面放电甚至污秽闪络的发生,从微观的角度探究其沉积机理,能够为电力系统的稳定运行提供理论依据。文中基于JKR接触力学理论,通过传统牛顿力学法和离散元方法分别对颗粒碰撞过程中的受力情况进行分析,提出综合考虑法向碰撞、颗粒反弹速度的碰撞沉积模型。根据不同碰撞沉积模型进行仿真实验,将所得结果与现有实验结果进行比较。结果表明:对比牛顿力学方法,离散元方法得到的碰撞沉积模型更能准确预测SiO_(2)颗粒在复合绝缘子表面的沉积情况。绝缘子表面颗粒沉积数随粒径的增大呈先增大后减小的趋势,在粒径20μm时达到最大沉积数。改变风向,绝缘子串中压端与高压端NSDD的比值随风向角度的增大而减小,下表面与上表面NSDD的比值随角度的增大而减小。绝缘子表面颗粒沉积数随风速的增大呈先增大后减小的趋势,并在±30º时达到最大。该文模型能够更为准确的描述污秽颗粒在绝缘子表面的沉积过程,研究结果有助于完善复合绝缘子表面污秽沉积机理。

有机无机混合肥料离散元参数标定方法研究

[目的]在有机无机混合肥料仿真试验中,传统参数标定方法待标定参数多,标定过程复杂。本文根据有机肥对无机肥颗粒黏附特性,提出一种新的离散元仿真接触参数标定方法。[方法]利用自由落体碰撞试验、静摩擦试验、滚动摩擦试验对复合小球和钢的接触参数进行校准;设计Plackett-Burmen Design试验、爬坡试验和Box-Behnken响应面试验,得到混合肥料接触模型最优参数,通过堆积角对比试验、有机肥和无机肥混合比例预测试验、撒肥盘颗粒分布对比试验验证最优参数。[结果]复合小球与钢的最优碰撞恢复系数、静摩擦系数和滚动摩擦系数分别为0.323、0.776、0.255;有机肥肥料之间最优碰撞恢复系数、静摩擦系数和滚动摩擦系数分别为0.40、0.70、0.14;有机肥与钢板之间的最优碰撞恢复系数、静摩擦系数和滚动摩擦系数分别为0.44、0.70、0.15;Hertz-Mindlin with JKR模型参数为0.017。最优参数进行对比验证堆积角的相对误差为1.05%,最优参数能预测不同混合比例肥料的堆积角,撒肥盘抛撒试验列分布最大相对误差为35.95%,平均误差15.86%。[结论]试验结果验证了标定方法正确性,同时为后续有机肥-无机肥-机械互作系统研究提供依据。

极地海冰动力过程的多面体离散元方法

极地海冰影响局部海域的通航条件乃至地质尺度上的气候预测,由于基于连续介质理论的海冰数值模式如网格方法难以应对浮冰尺度的模拟,近年来离散元方法越来越多用于海冰动力学领域。本文使用基于表面网格划分的多面体描述浮冰,通过使用GJK(Gilbert-Johnson-Keerthi)算法以进行初步接触判断并提高计算效率,采用基于能量守恒接触理论确定单元间接触力,由此建立了极地海冰多面体离散元方法。将该方法应用于极地海冰动力过程模拟,并考虑Hopkins提出的冰脊形成导致的海冰间塑性接触力。首先通过两个浮冰间碰撞模拟以验证接触力计算的正确性,再通过对单向均匀风场下浮冰挤压的模拟验证冰脊生成的模拟能力,最后研究冻结强度参数对剪切风场下冰盖断裂和冰脊生成的影响。结果表明,极地海冰多面体离散元方法能够合理地反映地质尺度海冰的动力过程,并且可有效地模拟冰盖线性运动引起的冰隙和冰脊等动力特征。

基于离散元方法的千枚岩隧道掌子面稳定性研究

千枚岩隧道在施工过程中由于围岩软弱破碎,易在掌子面附近发生失稳塌方。文章采用颗粒流软件PFC模拟炭质千枚岩三轴试验,标定围岩材料的细观参数,以此构建隧址区三维离散元数值计算模型,模拟隧道在不同开挖进尺和开挖方法下开挖支护全过程,分析隧道开挖后掌子面位移发展规律和开挖扰动区分布范围特征,揭示千枚岩隧道掌子面失稳机理。数值计算结果表明:随开挖进尺的增大,隧道开挖扰动区范围增大;在不同开挖方法中,台阶法的开挖扰动区范围最小。相关研究可为类似软弱破碎围岩隧道的设计和施工提供参考。

基于离散元方法的回转炉结构优化设计

回转炉内化学气相沉积包覆是生产锂电池硅碳负极的主要方法。回转炉结构影响颗粒的运动特性进而影响颗粒的包覆效率和包覆均匀性。应用离散元方法模拟颗粒运动,以颗粒堆积角为响应值,基于HEEDS软件对DEM仿真所需参数进行参数标定,设计回转炉实验验证参数可靠性,结果表明,仿真与实验颗粒分布特性相似。回转炉运动仿真分析颗粒的运动和分布特性,以轴向分布方差和数量高度分布为颗粒离散度性能指标,设计更优的回转炉结构。

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。

砂土边坡桩间水平土拱机理与演变规律离散元分析

抗滑桩等非连续支挡结构在边坡工程中依靠土拱效应安全经济地发挥支护功能。鉴于不同类型砂土的力学性质差异较大,为揭示密砂与松砂土质边坡抗滑桩桩间水平土拱机理与演变规律,采用离散元方法(DEM)模拟支挡砂土水平土拱的成拱过程。在传统力链分析的基础上,提出通过筛选高应力颗粒来研究土拱的形成过程,进一步从细观角度对不同工况土拱效应进行分析,以揭示“应力拱”和“位移拱”的演化过程。研究表明:密砂和松砂中的水平土拱的动态演变过程均表现为3个演化阶段,分别对应于密砂和松砂的剪切性状,即应变软化和应变硬化现象,揭示了砂土边坡桩间土拱效应的演变规律。此外,讨论了宏-微观DEM模拟参数对土拱形成过程与土拱效应性能的影响,结果表明拱跨对于荷载传递效率的影响最大。

月球车与月壤交互作用的离散元-多体动力学耦合建模

目前,对于散体颗粒物质与复杂机械系统的耦合作用研究,面临着跨尺度、计算规模庞大以及非光滑表面的接触检测困难等问题。为了探究月球车与月壤交互作用,首先对颗粒-多体耦合系统动力学建模与接触算法进行研究。分别用离散元方法(discrete element method, DEM)和多体动力学(multibody dynamics, MBD)笛卡尔方法建立了散体球形颗粒和含约束多体系统的动力学模型,并基于Hertz-Mindlin模型计算颗粒与刚体的接触力,在此基础上给出顺序耦合策略,建立了离散元和多体耦合的动力学模型。针对月球车齿状车轮的非光滑表面与颗粒之间接触检测规模庞大的问题,提出了非光滑形状物体的分区域局部检测方法,降低了局部检测的规模。通过对比圆柱体冲击颗粒的试验和仿真结果,验证了离散元-多体耦合模型的准确性。在耦合动力学建模和接触算法研究的基础上,对具有齿状车轮的月球车在月壤上行驶过程进行动力学仿真,研究不同驱动参数下的系统动力学特性以及不同轮胎形状对行驶运动的影响,研究结果表明,交错形轮齿的月球车相较直齿形轮齿前进距离多14%,前进效率较高,该研究对月球车的设计具有理论指导意义。

基于离散元的冲击荷载下加筋道砟细观研究

为了从细观上探究冲击荷载下加筋材料加固作用机制,通过离散元方法建立道砟颗粒模型,采用平行黏结模型建立土工格栅、土工格室柔性模型;通过对比室内道砟冲击试验和数值模拟结果,从宏观、细观上研究道砟竖向累积沉降和侧向变形,并对道砟应力链分布、颗粒接触和位移等进行细观分析。结果表明:在冲击高度为250 mm时,相较于未加筋道砟,土工格栅加筋道砟的竖向沉降和侧向变形分别减少24.4%和12.7%,土工格室加筋道砟分别减少33.5%和24.0%;由于道砟加固区存在垫层效应,土工格栅和土工格室加筋道砟的颗粒接触数分别增加9.3%和42.6%,平均接触力分别减少5.6%和16.7%;对比道砟颗粒平均位移,土工格栅和土工格室加筋工况相较于未加筋工况分别减少13.3%和21.1%,土工格室加固效果比土工格栅更为显著。

基于离散元方法的拉链式压裂效果影响因素分析

井间应力干扰对页岩储层“井工厂”模式开发效果影响显著,致使储层改造结果与设计方案存在一定误差,准确分析和确定井间应力干扰作用下的裂缝扩展规律是当前一个亟待解决的问题。基于离散元方法建立三维拉链式压裂裂缝扩展模型,研究水平主应力差、压裂液排量以及井间距对裂缝扩展形态的影响,以及定量分析对裂缝总体积的影响程度。研究结果表明,井间距小于80 m,裂缝尖端易发生偏转,即井间距较小条件下井间应力干扰明显;各因素对裂缝总体积的影响程度主次顺序为:压裂液排量>井间距>水平主应力差,因此现场施工时主要调整压裂液排量来改善压裂效果;水平主应力差对裂缝总体积影响不显著,主要决定裂缝尖端偏转程度,水平主应力差小于6 MPa时裂缝易发生偏转而形成复杂裂缝网络,在此基础上增大压裂液排量到0.3 m~3/s以及增加井间距到80 m,可使水力裂缝总体积从326.36 m~3增大到482.75 m~3,增大了47.92%。研究结果对优化水平井拉链式压裂工艺措施提供参考,对提高页岩储层采收率具有重要借鉴意义。

基于离散元的岩石冻融损伤劣化机制研究

冻融损伤岩石的劣化机制研究对于认识冻融灾害机制、灾变预测与寒区隧道防护体系设计具有重要理论意义。基于体积膨胀理论,建立了冻融过程中不可逆体积增加与冻融次数的关系方程,推导了冻融循环过程中圆柱形试样热量径向传递规律。考虑饱和试样冻融损伤过程,建立了基于离散元的岩石冻融损伤模型。开展了不同冻融循环次数的砂岩物理力学性质测试,通过应力-应变曲线及单轴抗压强度验证了该模型的有效性。在此基础上,分析了冻融循环过程中岩石试样中裂纹生长规律及层进式分布特征,研究了冻融-应力耦合条件下岩石试样裂纹扩展过程。研究结果表明:随着冻融循环次数的增加,裂纹的发育经历了缓慢增长、快速增长及趋于稳定3个发展阶段。裂纹数沿径向方向由内而外层进式增加,80%左右的冻胀裂纹分布在距离试样轴心10~25 mm的圆环柱区域内。当冻融次数小于80次时,裂纹数随距圆心距离的增加呈指数函数关系;当冻融次数大于80次时,裂纹数与距圆心距离呈对数函数关系。冻融循环过程中,试样内的破坏以拉伸破坏为主,岩石的冻融损伤过程受初始孔隙结构控制。

基于离散元模拟的小行星微重力撞击采样研究

撞击采样是适用于小行星表面微重力环境的采样方式,目前已成功应用于Hayabusa 1和Hayabusa 2小行星探测任务。文章基于国产高性能离散元软件MatDEM,建立小行星微重力撞击采样模型,探索初始撞击速度和弹体形状对撞击后风化层内部特征和溅射颗粒的影响。结果表明,增加初始撞击速度能够增大风化层相同区域内部应力和密实度,提高溅射颗粒数量和来自风化层深部的颗粒数量。在风化层相同区域,锥头弹体能够产生最大的应力峰值,平头弹体产生的应力峰值最小。圆形和平头弹体产生的溅射颗粒数量最多,且具有最好的深部采样能力。锥头弹体产生的溅射颗粒数量最少,深部采样能力最弱。结论有助于理解撞击过程内部机理,为深空探测中的撞击采样方案设计提供参考。

基于离散元法的锂电池极片辊压过程探究

随着“双碳目标”的提出,锂电池肩负了前所未有的降碳使命。辊压工艺是锂电池极片成形过程中的重要一环。它会对锂电池极片的微观结构及其力学性能产生重要影响,而极片微观结构及其力学性能又直接关系到锂电池的整体性能表现。因此,本研究特针对辊压工艺对锂电池极片微结构及其力学性能开展研究。考虑到锂电池极片并非单一均匀的物质,而是由各种形状和粒径的粉末颗粒复杂地堆叠、粘接、嵌合而成的异质性结构。本研究采用离散元法,并根据真实极片颗粒形状及粒径分布建立锂电池正极片模型,揭示辊压过程中极片变形的实质,探求极片微观结构及其力学性能变化规律。结果表明:随着辊压程度的均匀增加,极片孔隙率呈现出先线性减小,后缓慢减小的规律。极片密度是线性增大的;辊压会使得极片颗粒之间的配位数增加,并且活性材料镍钴锰酸锂(NCM)的配位数增大速度要大于黏结剂形成的胶相(carbon binder domain, CBD);辊压还使得锂电池极片的内应力呈现类指数的增大规律,其中z方向的应力增大速度明显大于x、y方向应力增大速度。

基于离散元法的岩质高边坡稳定性分析

岩质边坡的失稳往往是在不良结构面的控制下发生的,特别高陡岩质边坡的失稳破坏。某抽蓄电站下库库尾段为露采矿山遗留的岩质高边坡,距离拟建下水库库尾段直线距离仅45 m,对工程建设存在巨大安全隐患。在人工测窗的基础上,利用三维激光扫描技术获取了岩质边坡结构面的详细数据,并结合离散元PFC2D方法对该岩质边坡进行分析和评价。结果表明,该岩石边坡主要发育NE60°~70°/NW∠3°~7°、NE13°~70°/SE∠70°~87°和NW293°~330°/SW∠71°~90°三组结构面。岩石边坡在天然工况下基本稳定,在暴雨、地震工况下稳定性差或不稳定,5 m~10 m深度范围可能会产生垮落和掉块现象,估算潜在危岩体约4.8×10^(4)m^(3)。

出口振动筒仓颗粒流动过程的离散元分析

对于筒仓内的颗粒物质而言,颗粒流量W会受到出口尺寸D的限制。当出口尺寸较小时,颗粒流很容易发生堵塞,而研究解堵塞方法对颗粒输送和疏通问题具有重要的意义。本文利用离散元法构建了一个出口做水平简谐振动的准二维筒仓,详细讨论了出口振动幅度A、频率f以及由这两个参数确定的出口振动速度V和振动加速度Γ对筒仓内球形颗粒流态变化和颗粒流量的影响。结果表明,颗粒流量随出口振动强度的变化趋势与筒仓出口尺寸相关,即D<5时,W随着振动加速度Γ或振动速度V的增加而增加,W是关于振动速度V的函数;D>5时,W随着振动加速度Γ或振动速度V的增加而减少,振幅和频率分别通过改变颗粒纵向流动范围和流速波动频率对颗粒流量造成影响,导致W不再是振动速度V的函数。

离散元与光滑颗粒流体力学耦合方法及应用

磨机尺度极大,采用常规物理相似模拟和物料平衡模型适用性的方法,无法对磨机出料端排矿的动态过程进行观测和开展定量化表征,本文通过耦合离散元方法和光滑粒子流体动力学方法实现基于动态自由面的固液两相流仿真,并应用于量化对比不同磨机衬板机械结构对其排矿效率的影响.通过开展流变仪试验及仿真,确定了反映选定矿浆的流变特性参数及对应数值模拟参数.选取直型及弧型出料端衬板设计,基于所开发的数值模拟进行磨机排矿量及矿浆提升器回流量的量化表征.数值模拟结果表明,弧型出料端衬板的排矿量提升了13.4%,且矿浆提升器回流量降低了93.3%,现场工业试验结果与数值结果误差较小,验证了所开发的数值模拟模型的准确性.

利用LBM-DEM方法模拟研究粗颗粒管道水力输送

管道水力输送是运输固体物料的一种重要方式。采用Fortran语言在Visual Studio平台建立了一套描述粗颗粒管道水力输送过程的LBM-DEM(lattice Boltzmann method-discrete element method)数值模拟方法,并用该方法对相同体积的双层颗粒群和三层颗粒群在水平管道中的运动进行了模拟,研究了不同颗粒堆积方式下的水力输送特性。结果表明:推移运动是粗颗粒在水平管道中的主要运动形式,部分颗粒在水流的作用下会产生跃移运动;颗粒群前方存在水流低速度区,且管道初始流速越低、颗粒直径越大时,低速度区的存在越明显;颗粒群上层颗粒在运动的过程中会产生坍塌,随着管道初始流速的增大和颗粒直径的减小,上层颗粒由向下层坍塌逐渐转变为向颗粒群前方坍塌;堆积方式对颗粒群在管道中的运动具有重要影响,双层颗粒群和三层颗粒群在低速度区特性、颗粒坍塌方式等方面存在部分差异。该研究可为粗颗粒管道水力输送技术的发展起到一定的指导作用。

离散元方法及其在海洋工程中的应用综述

离散元方法(Distinct Element Method,DEM)作为一种适于分析非连续介质力学行为的数值模拟方法,已广泛应用于海洋工程领域。介绍DEM基本原理,基于大量文献调研,归纳总结DEM在海洋工程中的应用现状,包括海洋工程装备与海冰、海床相互作用以及海床冲刷与颗粒运移模拟等方面的应用,并对DEM在海洋工程中的应用发展趋势进行探讨。

基于水平集-离散元方法的球谐函数颗粒材料缓冲性能分析

在自然环境与工业领域中,颗粒材料是一种常见的缓冲材料,其中大量形态各异的非球形颗粒表现出复杂的力学特性并应用于不同工程领域。本文采用球谐函数构造不同球面度和表面凹凸特性的非规则颗粒,通过水平集方法计算球谐函数颗粒间的接触点和碰撞力,并对冲击过程中球形和凹形颗粒的缓冲性能进行离散元分析。数值结果表明,颗粒床厚度、冲击速度和颗粒形状显著影响球谐函数颗粒材料的缓冲性能。颗粒床底部的冲击力峰值随着颗粒床厚度和表面凹凸性的增加而降低,同时冲击力峰值随着冲击速度和颗粒球面度的增加而增加。与球形颗粒相比,球谐函数颗粒具有凹凸表面和多接触点特性,这有利于冲击荷载向四周扩展并提高凹形颗粒的缓冲效果。