基于颗粒流分析的c80b敞车侧压力沿墙高分布仿真

基于颗粒流分析的c80b敞车侧压力沿墙高分布仿真

提高卡车运营速度和负荷化带来了很多问题，对铁路卡车的运营和负荷要求也很高。砂、砾石、小麦和小麦是颗粒的。这些是铁路公共汽车运输的主要货物。然而，对于长途车辆的侧压力一直是研究的难题之一。以往的研究表明，静侧压力沿散向材料的高度呈线性分布，这与实际情况有很大不同。大量试验和试验还表明，静侧压力沿散向材料的高度呈非线性分布。为了确保铁路车辆的运行安全，有必要了解新的运营条件下分散体对客车的力。颗粒流程序是在著名学者PeterCundall主持下采用细观离散元理论(又称为粒子流理论)开发的一种数值计算平台.在筒仓领域得到了大量的应用,取得一些有益的结论和成果.但是离散单元法在货车领域却极少得到应用文中以C80B敞车为研究对象,采用颗粒流程序模拟了小麦、煤、砂子3种散体对C80B敞车的作用力,旨在验证将离散单元法(DEM)应用于货车领域的可行性,并对散体对敞车端、侧墙的作用力规律进行研究总结.1压力传感器设计原敞车模型的尺寸为:长10.55m、宽2.976m、高2.7m.把原模型的几何尺寸缩小20倍,即离散元模型的几何尺寸为:长0.5275m,宽0.1488m,高0.135m.模型中共设置了20片压力传感器,其中端墙10片,从上至下分别为10号墙、20号墙、30号墙、40号墙、50号墙、60号墙、70号墙、80号墙、90号墙、100号墙;侧墙10片,从上至下分别为101号墙、102号墙、103号墙、104号墙、105号墙、106号墙、107号墙、108号墙、109号墙、110号墙.6、7、8、9号墙所在位置为颗粒生成区域.具体墙号及模型坐标系设置如图1所示.1.1颗粒和外墙的主要参数为了得到货车模型与原模型相同的重力场,散体颗粒的重力密度就要增大20倍,才能使货车模型和原模型相应位置处有相同的应力状态.经反复调试,颗粒和墙壁的主要参数如表1所示.1.2颗粒的迭代过程选择与实际情况较相似方法生成颗粒.先在敞车上部区域,即6、7、8、9号墙(6、7、8、9号墙所在位置如图1所示)所围成的空间生成颗粒,此时颗粒不接触,然后施加重力使颗粒下落.在该过程中,颗粒间以及颗粒与敞车发生碰撞,颗粒的动能不断被耗散,至货车车厢的底部,继续迭代直至该层颗粒至静平衡.再在敞车顶部生成下一层颗粒,如此反复至颗粒达到稳定的填充状态.最后删除多余的颗粒和6、7、8、9号墙,再次迭代至总体平均不平衡力为零,且各个测点的压力值不再变化,至此视为模型已经达到总体的静平衡,颗粒生成过程结束.颗粒生成过程如图2所示.2密度和密度对侧压力的影响达到平衡时,提取3种散体货物的端、侧墙各测点的压力值.以离散元模型装货高度为X轴,压力值为Y轴,与按原敞车模型装货高度计算的库仑值进行比较.结果如图3~6所示.分析图3~6可得到以下结论:1)总体上,离散元模拟的结果比库仑理论的计算结果要稍大.2)散体密度越大,颗粒与颗粒之间以及颗粒与墙体之间的接触力也越大.当散体密度增大时,各测点侧压力也增大,但并不与密度成正比关系.由此可知侧压力除了受散体的密度影响之外,还受其他因素的影响.3)在货车墙高上2/3部分,DEM仿真得到的侧压力值与库仑公式的计算结果大致相同,侧压力沿墙高是近似线性分布,散体内也没有明显的压力拱生成,压力近似线性分布.4)在货车墙高中下部,颗粒流仿真所得到的侧压力沿墙呈非线性分布状态,出现压力减小(松弛)的现象,而且越向下这种非线性和散体内的压力拱越明显;且散体密度越大,在模型的中下部所出现的拱效应现象越明显.5)侧压力的最大值近似出现在离墙趾不远处,也就是离散元模型的90或109号测点,在最大值出现后,沿墙高出现压力松弛的现象.库仑公式的最大侧压力值出现在墙趾处.6)侧压力沿墙高非线性分布,这一点端墙、侧墙是相同的.端墙与侧墙的侧压力分布基本相同,偶有差别,验证了在实践中按端墙侧压力公式对侧墙进行强度校核的可行性.7)侧墙的侧压力分布规律并不如端墙明显.主要原因是DEM模型的宽度较小,造成两侧墙之间的散体破裂面不能完全的形成.3摩擦角变化对散体侧压力的影响3.1散体内摩擦角的影响以小麦为研究对象,其他条件不变,只改变散体内摩擦角,研究内摩擦角变化对敞车端、侧墙侧压力的影响.分别取内摩擦角φ=25°、φ=30°、φ=35°,运行颗粒流程序,提取端、侧墙侧压力值与库仑理论计算结果比较,结果如图7、8所示.分析图7、8可得到下列结论:1)随着散体内摩擦角的增大,侧压力减小,这一点颗粒流仿真结果和库仑公式是相同的.2)随着散体内摩擦角的增大,离散元仿真的侧压力最大值在端墙处分别出现在90、80、70号测点,说明端墙侧压力最大值的位置随着内摩擦角的增大而上移.3)侧墙方面这种最大值上移的趋势不是非常的明显.考虑主要有2个方面的原因:一是DEM模型的宽度较小,造成两侧墙之间的散体破裂面不能完全形成.由此参数变化所带来的对侧压力分布的影响,侧墙较端墙要微弱;二是DEM模型侧压力值的提取是基于每个测点(侧墙)所得到的,该值不是该处的最大侧压力值,而是该测点(侧墙)所在区域的平均值.基于上述原因可以推测:随着内摩擦角的增加,最大值出现的位置在侧墙处也是上移的,只不过这种趋势并不如端墙处显著.3.2颗粒流程序中,端、侧墙侧压力值比选时,也注意以下一步以小麦为研究对象,其他条件不变,只改变散体与敞车摩擦角,研究外摩擦角变化对敞车端、侧墙侧压力的影响.分别取散体与敞车摩擦角δ=0°、δ=5°、δ=10°时,运行颗粒流程序,提取端、侧墙侧压力值与库仑理论计算结果比较,结果如图9、10所示.由图9、10可知:1)与内摩擦角变化相同,随着散体与敞车外摩擦角的增大,侧压力减小,这一点离散元仿真在端、侧墙处的结果是一致的.2)随着散体与敞车外摩擦角的增大,外摩擦角对侧压力最大值位置的影响在端墙处很微弱,侧墙侧压力最大值上移的趋势要比端墙显著.3)其他结论参考图7、8分析结果.4颗粒流参数设置1)通过颗粒流程序模拟散体对敞车的侧压力,得到货车端、侧墙的侧压力沿墙高非线性分布结果,其结果与按库仑理论所计算的侧压力进行比较.分析表明使用减缩离散元模型可以较好地反映原敞车模型的实际受力情况,适合散体对敞车侧压力的研究,说明颗粒流参数的选取是合适的.2)颗粒流仿真所得到的侧压力值沿货车墙高呈非线性分布的状态,而非库仑理论计算所得的线性分布;侧压力最大值出现在离墙趾的中下部,而非库仑理论的墙趾处.3)离散元仿真得到的结果表明,在模型中下部在最大侧压力值出现后,出现了压力松弛的状况.在以后敞车侧压力的理论计算中,可以考虑拱效应的影响.考虑拱效应影响的侧压力计算公式,能