基于离散元和有限元动态耦合计算的矿山连续挖掘装置的性能评估方法与流程

1.本发明属于矿山设备技术领域，具体涉及一种矿山连续挖掘装置的性能评估方法，主要应用于矿山挖掘设备。


背景技术：

2.在料场、矿山工程中，矿用斗轮挖掘装置装卸的物料涉及到多种类型，有煤炭、矿石、砂石等，不同的物料其密度和作用系数也不同，对料斗的载荷也有所不同；矿用斗轮挖掘装置主要应用于矿山散装物料的挖掘装卸，在实际工作过程中复杂较为复杂，包含扭转、弯曲、冲击、振动等多种载荷；常规的挖掘装置设计多以静力学分析结果近似评估挖掘料斗设计，而动力学计算往往以近似挖掘力作为载荷条件进行运动评估，上述计算结果很难将结构运动、结构力学表现、精确挖掘力的作用全过程有机结合表述。
3.挖掘效率即单斗的挖掘物料体积与挖掘阻力的匹配关系也直接影响的产品的直接性能，所以说在设计过程中准确地计算和评估斗轮挖掘装置的性能，对于挖掘装备设计、提高运行效率等方面有着极为重要的意义。


技术实现要素：

4.本发明旨在提供一种矿山连续挖掘装置的性能评估方法，以解决挖掘装备运行效率低等问题。
5.本发明公开了一种基于离散元和有限元动态耦合计算的矿山连续挖掘装置的性能评估方法，包括：
6.步骤a)建立连续挖掘装置模型；
7.步骤b)基于基于散料实际料性和料堆形态，采用离散元的方法计算散装颗粒物料对挖掘料斗、支撑结构件的压力，以作为有限元分析时的载荷输入条件；
8.步骤c)确定散料对挖掘装置的作用力，采用有限元的方法对挖掘结构体进行应力和应变分析，根据应力和应变分析结果对挖掘装置的强度进行分析评估，根据挖掘散料的体积评估分析挖掘效力。
9.进一步，步骤a建立挖掘装置三维结构模型，采用离散元的方法模拟挖掘过程，具体包括以下步骤：
10.步骤a1)根据挖掘装置的实际几何尺寸建立挖掘装置的三维结构，所述挖掘装置包含挖掘料斗和支撑结构，并将其导入到有限元软件中；
11.步骤a2)在有限元软件中定义挖掘装置的材料特性，对挖掘装置划分有限元网格，定义各零部件之间的接触方法，根据三维模型和材料特性建立挖掘装置的有限元模型；
12.步骤a3)在有限元软件中，基于散料料性用堆装方法形成散料料堆。
13.进一步，步骤b为根据步骤a所提供的三维模型，基于散料实际料性如含水率、颗粒度、摩擦力、回弹系数等参数，采用离散元的分析方法对挖掘装置设定转速驱动模拟挖掘取
料过程，计算散装颗粒物料对挖掘料斗和支撑结构的作用力，并获取料堆散料变化量。
14.进一步，步骤b具体包括：
15.步骤b1)根据挖掘装置的结构特点和工作方式定义的边界条件，将物料对挖掘装置的作用力作为载荷分时间步长全过程施加到有限元模型上；
16.步骤b2)根据施加载荷和边界条件逐个进行有限元分析，即每个时间节点对应的受力状态进行独立工况分析，但该计算过程保持连续。
17.进一步，步骤c具体包括：
18.步骤c1)借助离散元计算提供挖掘过程中的料堆体积消散，获取挖掘能力的定量评价标准；
19.步骤c2)借助离散元计算方法所得到的受力载荷谱，包含挖掘装置的空间坐标信息和时间定位信息，从空间域和时间域施加于挖掘装置的有限元模型，根据全挖掘过程挖掘装置整体的分时间步长动态计算挖掘装置的应力和应变状态；
20.步骤c3)结合取料能力对装置的受力情况进行综合评估，进一步调整挖掘切入角和料斗结构参数，优化挖掘阻力和挖掘能力。
21.其中，步骤c3为基于散料料性数据就挖掘过程开展散料流动性分析，进行挖掘过程求解，提取散装颗粒物料对挖掘料斗及支撑结构的作用力，以作为有限元分析时的载荷输入条件，同时根据料堆散料的变化量数据作为挖掘能力指标；采用有限元的方法对挖掘装置进行应力和应变分析，根据应力、应变分析结果和挖掘能力对结构的挖掘性能开展综合评估。
22.本发明的有益效果：
23.本发明针对矿用挖掘装置在不同工作情况下对挖掘装置的载荷分别加以研究，能够全过程、动态化、系统地评估挖掘装置的力学性能和工作效率，并作为指导设计的依据。
附图说明
24.图1是本发明实施例1提供的基于离散元和有限元动态耦合计算的矿山连续挖掘装置的性能评估方法的流程示意图；
25.图2是本发明提供的基于离散元和有限元动态耦合计算的矿山连续挖掘装置的性能评估方法的挖掘作用力数据示意图。
具体实施方式
26.下文将结合具体实施例对本发明的技术方案做更进一步的详细说明。应当理解，下列实施例仅为示例性地说明和解释本发明，而不应被解释为对本发明保护范围的限制。凡基于本发明上述内容所实现的技术均涵盖在本发明旨在保护的范围内。
27.除非另有说明，以下实施例中使用的原料和试剂均为市售商品，或者可以通过已知方法制备。
28.如图1所示的基于离散元和有限元动态耦合计算的矿山连续挖掘装置的性能评估方法，步骤如下：
29.1、建立斗轮挖掘装置实际结构件三维模型，保证设计结构的完整评估；
30.2、基于散料实际料性(含水率、颗粒度、摩擦力、回弹系数等)和料堆形态，采用离
散元的方法计算并提取散装颗粒物料对挖掘料斗及支撑结构的整个挖掘过程的作用力，全方位更为真实的还原实际载荷情况，此时挖掘装置是刚性的；
31.3、借助离散元计算提供挖掘过程中的料堆体积消散，获取挖掘能力的定量评价标准；
32.4、借助离散元计算方法所得到的受力载荷谱，包含挖掘装置的空间坐标信息和时间定为信息，从空间域和时间域施加于挖掘装置的有限元模型，全挖掘过程分时间步长动态计算挖掘装置的应力和应变状态；
33.5、基于散料料性数据就挖掘过程开展散料流动性分析，进行挖掘过程求解，提取散装颗粒物料对挖掘料斗及支撑结构的作用力，以作为有限元分析时的载荷输入条件，同时根据料堆散料的变化量数据作为挖掘能力指标；采用有限元的方法对挖掘装置进行应力和应变分析，根据应力、应变分析结果和挖掘能力对结构的挖掘性能开展综合评估。
34.以上，对本发明的实施方式进行了说明。但是，本发明不限定于上述实施方式。凡在本发明的精神和原则之内，所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。


技术特征：
1.基于离散元和有限元动态耦合计算的矿山连续挖掘装置的性能评估方法，其特征在于，包括如下步骤：步骤a)建立连续挖掘装置模型；步骤b)基于散料实际料性和料堆形态，采用离散元的方法计算散装颗粒物料对挖掘料斗、支撑结构件的压力，以作为有限元分析时的载荷输入条件；步骤c)确定散料对挖掘装置的作用力，采用有限元的方法对挖掘结构体进行应力和应变分析，根据应力和应变分析结果对挖掘装置的强度进行分析评估，根据挖掘散料的体积评估分析挖掘效力。2.根据权利要求1所述的基于离散元和有限元动态耦合计算的矿山连续挖掘装置的性能评估方法，其特征在于，步骤a中建立挖掘装置三维结构模型，采用离散元的方法模拟挖掘过程，具体包括以下步骤：步骤a1)根据挖掘装置的实际几何尺寸建立挖掘装置的三维结构，所述挖掘装置包含挖掘料斗和支撑结构，并将其导入到有限元软件中；步骤a2)在有限元软件中定义挖掘装置的材料特性，对挖掘装置划分有限元网格，定义各零部件之间的接触方法，根据三维模型和材料特性建立挖掘装置的有限元模型；步骤a3)在有限元软件中，基于散料料性用堆装方法形成散料料堆。3.根据权利要求1所述的基于离散元和有限元动态耦合计算的矿山连续挖掘装置的性能评估方法，其特征在于：步骤b为根据步骤a所提供的三维模型，基于散料实际料性如含水率、颗粒度、摩擦力、回弹系数等参数，采用离散元的分析方法对挖掘装置设定转速驱动模拟挖掘取料过程，计算散装颗粒物料对挖掘料斗和支撑结构的作用力，并获取料堆散料变化量。4.根据权利要求1所述的基于离散元和有限元动态耦合计算的矿山连续挖掘装置的性能评估方法，其特征在于，步骤b具体包括：步骤b1)根据挖掘装置的结构特点和工作方式定义的边界条件，将物料对挖掘装置的作用力作为载荷分时间步长全过程施加到有限元模型上；骤b2)根据施加载荷和边界条件逐个进行有限元分析，即每个时间节点对应的受力状态进行独立工况分析，但该计算过程保持连续。5.根据权利要求1所述的基于离散元和有限元动态耦合计算的矿山连续挖掘装置的性能评估方法，其特征在于，步骤c具体包括：步骤c1)借助离散元计算提供挖掘过程中的料堆体积消散，获取挖掘能力的定量评价标准；步骤c2)借助离散元计算方法所得到的受力载荷谱，包含挖掘装置的空间坐标信息和时间定位信息，从空间域和时间域施加于挖掘装置的有限元模型，根据全挖掘过程挖掘装置整体的分时间步长动态计算挖掘装置的应力和应变状态；步骤c3)结合取料能力对装置的受力情况进行综合评估，进一步调整挖掘切入角和料斗结构参数，优化挖掘阻力和挖掘能力。6.根据权利要求5所述的基于离散元和有限元动态耦合计算的矿山连续挖掘装置的性能评估方法，其特征在于：步骤c3为基于散料料性数据就挖掘过程开展散料流动性分析，进行挖掘过程求解，提取散装颗粒物料对挖掘料斗及支撑结构的作用力，以作为有限元分析
时的载荷输入条件，同时根据料堆散料的变化量数据作为挖掘能力指标；采用有限元的方法对挖掘装置进行应力和应变分析，根据应力、应变分析结果和挖掘能力对结构的挖掘性能开展综合评估。

技术总结
本发明公开了一种基于离散元和有限元动态耦合计算的矿山连续挖掘装置的性能评估方法，包括建立连续挖掘装置模型；基于基于散料实际料性和料堆形态，采用离散元的方法计算散装颗粒物料对挖掘料斗、支撑结构件的压力，以作为有限元分析时的载荷输入条件；确定散料对挖掘装置的作用力，采用有限元的方法对挖掘结构体进行应力和应变分析，根据应力和应变分析结果对挖掘装置的强度进行分析评估，根据挖掘散料的体积评估分析挖掘效力。与现有技术相比，本发明针对矿用挖掘装置在不同工作情况下对挖掘装置的载荷分别加以研究，能够全过程、动态化、系统地评估挖掘装置的力学性能和工作效率，并作为指导设计的依据。并作为指导设计的依据。并作为指导设计的依据。


技术研发人员：戚一男 周康宁 曾建晖
受保护的技术使用者：泰富重工制造有限公司
技术研发日：2020.12.08
技术公布日：2022/6/10