粘性炭素糊料沖擊壓實機理及其離散元數(shù)值仿真研究.pdf

1、在鋁電解槽的修筑過程中廣泛采用沖擊壓實方法進行炭素糊料的扎固，糊料的扎固質(zhì)量是影響其使用壽命的主要因素之一，因此，糊料扎固問題的研究對提高電解槽壽命具有重要的意義。目前對于糊料在沖擊載荷下的密實過程的研究和應(yīng)用多建立在宏觀假設(shè)和試驗的基礎(chǔ)上，對于糊料沖擊密實的機理及其與糊料物理力學特性之間的關(guān)系還未有研究，而且缺乏適宜的數(shù)值模擬技術(shù)，這種研究的滯后嚴重阻礙了鋁電解自動化生產(chǎn)水平的提高。為了提高鋁電解槽的壽命和經(jīng)濟效益，采用現(xiàn)代化的技術(shù)手

2、段、先進的設(shè)備來提高鋁電解槽扎固的生產(chǎn)水平和生產(chǎn)效益，運用新的理論和技術(shù)對粘性炭素糊料及其扎固進行研究勢在必行。 糊料是一種主要由顆粒和孔隙組成的性質(zhì)十分復(fù)雜的熱塑性顆粒材料，其整體性質(zhì)與顆粒的大小、形狀及分布特征等細觀恃征參數(shù)有關(guān)。在外載荷作用下，這些細觀參數(shù)將不斷發(fā)生變化，糊料的整體物理力學性質(zhì)也隨之改變。論文采用細觀力學的相關(guān)理論對糊料堆積體在外載荷作用下的動態(tài)行為變化規(guī)律進行研究，并考慮到堆積體內(nèi)部細觀結(jié)構(gòu)的變化特征，將

3、細觀結(jié)構(gòu)的特征參數(shù)與宏觀力學量統(tǒng)一起來，建立相適應(yīng)的力學特性模擬模型，將微觀與宏觀聯(lián)系起來，進一步完善了對糊料特性的研究。以力學模型為基礎(chǔ)，采用離散元方法建立糊料力學特性的仿真系統(tǒng)，通過力學試驗擬合糊料的仿真參數(shù)，并采用該系統(tǒng)對糊料的沖擊壓實進行模擬。論文的主要研究工作有： 炭素糊料本身的物理和力學性質(zhì)是糊料扎固的前提和基礎(chǔ)。在已有的研究成果基礎(chǔ)上，對糊料特性的相關(guān)研究成果進行綜合比較、分析和總結(jié)，研究了糊料組成、物理力學特性對

4、糊料及其堆積體力學特性的影響，為糊料的壓實及其相關(guān)研究提供了科學依據(jù)。針對糊料的特性對其尺度劃分進行了定義，從宏觀和細觀角度對糊料的壓實變形機理進行分析。 從細觀角度出發(fā)，對糊料顆粒間的相互作用力進行研究，分析顆粒間的主要作用力及其對糊料相互作用的影響。研究糊料顆粒間的接觸力模型，得到適合描述粘性糊料顆粒細觀接觸的力一位移模型。通過糊料的力學特性試驗，研究糊料的動態(tài)應(yīng)力應(yīng)變特性。 以糊料力學特性試驗為基礎(chǔ)，引入顆粒離散元

5、方法建立糊料的細觀力學特性仿真模型，探討了系統(tǒng)建立的原理和機制。根據(jù)糊料的細觀接觸模型，利用離散元程序PFC的二次開發(fā)接口實現(xiàn)了相對接觸位移計算接觸力的算法。通過分析粘性糊料顆粒的運動、變形以及顆粒間的接觸力及其分布，建立糊料顆粒間的細觀接觸相互作用與宏觀應(yīng)力應(yīng)變之間的關(guān)系。通過仿真模型改變摩擦系數(shù)、彈性模量、粒徑比等參數(shù)，研究了這些細觀結(jié)構(gòu)特征的變化對本構(gòu)關(guān)系的影響。 從糊料宏觀變形角度入手，通過室內(nèi)沖擊壓實試驗，對不同壓實參

6、數(shù)情況下糊料的動態(tài)行為變化進行了初步試驗研究，確定了其合理范圍。對壓實功、布料厚度等主要影響參數(shù)在其合理范圍內(nèi)采用正交試驗方法進行了優(yōu)化試驗。根據(jù)試驗結(jié)果擬合得到了糊料壓實密度與壓實功及布料厚度的關(guān)系式。對不同階段壓實糊料的細觀特征研究表明，細觀特征參數(shù)與宏觀變形具有對應(yīng)性。 采用顆粒離散元方法建立了糊料的沖擊壓實仿真系統(tǒng)，研究了顆粒試樣的生成原理及算法，并給出了詳細的步驟。通過模擬糊料的沖擊壓實過程顆粒的位置、速度圖、位移圖和