一种确定筒仓料拱形状和大小的数值模拟方法

本发明涉及筒仓数值模拟，特别是涉及一种确定筒仓料拱形状和大小的数值模拟方法。

背景技术：

1、筒仓是粉料加工中一个非常重要的设备，不仅具有储存物料的功能，也可以作为给料装置向其他设备进行稳定的喂料。为了维持喂料过程的稳定，通常在对筒仓进行设计时会选用质量流进行喂料。然而，在实际生产中由于颗粒本身的特性以及筒仓结构、墙壁的摩擦等问题，容易形成漏斗流现象，造成流动不稳定甚至形成料拱堵塞的问题。结拱的问题在卸料过程中经常出现，会引发产能下降甚至造成严重的安全事故，但是其出现没有规律难以预测，料仓的结构又决定了操作人员无法看到内部颗粒流动状况，此外，这类问题的预防缺乏规范理论的支撑，只能依靠工人的操作经验进行整改维护。此外，当生产中发生结拱问题时，需要进行及时破拱，现有的方法多为人工敲打、添加震动装置或吹气装置等，这些破拱方法有时并不能及时解决这一问题，人工敲打更是费时费力存在安全隐患。

技术实现思路

1、本发明目的是针对背景技术中存在的问题，提出一种确定筒仓料拱形状和大小的数值模拟方法。

2、本发明的技术方案，一种确定筒仓料拱形状和大小的数值模拟方法，包括以下具体步骤：

3、s1、建立筒仓的数值模拟仿真模型；

4、s2、基于s1中的数值模拟仿真模型，利用fem有限元软件模拟出筒仓内部不同参数颗粒的流动状态；

5、s3、利用数值模拟结果找到容易产生结拱的部位、形状和尺寸信息；

6、s4、根据s3中获得的模拟结果对筒仓结构进行优化；

7、s5、对s4中优化后的筒仓结构重新输入fem有限元软件中，验证结果是否满足预期要求；若不满足则重新执行s2-s5直至输出结果满足预期要求。

8、s1中对筒仓结构以及尺寸进行系统测量并结合施工图纸进行模型建立。

9、优选的，s1中使用abaqus的建模模块或solidworks软件建立筒仓的结构尺寸模型。

10、优选的，s2中fem有限元计算机软件为abaqus；s1中建立的筒仓模型直接导入abaqus软件中。

11、s2中使用欧拉有限元法应用于数值模拟，其控制方程如下：

12、质量守恒：

13、

14、动量守恒：

15、

16、能量守恒：

17、

18、

19、其中，ρ是材料的体积密度，v表示流速，σ表示应力张量，∈相当于单位体积的内能。

20、优选的，s2中使用mohr-coulomb弹塑性模型来描述筒仓中散装物料的内聚流动行为；材料的弹性行为使用杨氏模量和泊松比进行描述：

21、

22、σij是总应力，是弹性应变，是四阶弹性张量；

23、对于屈服条件：

24、rmcq-ptanφ-c＝0

25、

26、应力p由以下公式给出

27、

28、而等效应力q

29、

30、其中sij是偏离应力,是内摩擦角c是材料黏聚力.θ是偏差极角，由cos(3θ)＝(r/q)3定义；

31、

32、其中

33、

34、其中，ψ是材料扩张角,c0代表内聚力；ε＝0.1代表所有模拟的流势的偏心率；此外，e是由内摩擦角决定的，即

35、s2中fem有限元软件输出的结果包括颗粒流速、压力分布表和颗粒流动图像视频；

36、基于颗粒流速、压力分布表生成筒仓颗粒流动结果数据库；

37、基于筒仓颗粒流动结果数据库的数据生成筒仓优化图表，通过筒仓优化图表对现有筒仓进行技术改造或对新建筒仓设计优化。

38、基于颗粒流动图像视频生成筒仓颗粒流动状态可视化展示系统，通过可视化展示系统展示颗粒流动的状态。

39、基于颗粒流动图像视频和所组建的筒仓颗粒流动结果数据库结合组建筒仓结拱预测和预警系统；对筒仓内物流的结拱现象进行预测和预警。

40、优选的，s5中预期要求设定为给料效率提高20％，设备能耗下降10％，结拱次数下降20％。

41、与现有技术相比，本发明具有如下有益的技术效果：

42、本发明利用数值模拟的方法对筒仓内颗粒流动进行研究，从而预测筒仓内部可能发生的料拱的形状、大小、位置等信息，对筒仓进行形状结构方面的优化从而解决容易发生的结拱现象。

43、本发明计算多种工况下不同物料在筒仓内的流动状态，提高预测结拱塌仓等筒仓流动问题的准确性，实现提前预知预警的功能，并一定程度上提供可行的技术改造或设计方案，减少技改的时间和成本，同时也能避免由于人工测量而产生的误差等问题。

技术特征：

1.一种确定筒仓料拱形状和大小的数值模拟方法，其特征在于，包括以下具体步骤：

2.根据权利要求1所述的一种确定筒仓料拱形状和大小的数值模拟方法，其特征在于，s1中对筒仓结构以及尺寸进行系统测量并结合施工图纸进行模型建立。

3.根据权利要求2所述的一种确定筒仓料拱形状和大小的数值模拟方法，其特征在于，s1中使用abaqus的建模模块或solidworks软件建立筒仓的结构尺寸模型。

4.根据权利要求1所述的一种确定筒仓料拱形状和大小的数值模拟方法，其特征在于，s2中fem有限元计算机软件为abaqus；s1中建立的筒仓模型直接导入abaqus软件中。

5.根据权利要求1所述的一种确定筒仓料拱形状和大小的数值模拟方法，其特征在于，s2中使用欧拉有限元法应用于数值模拟，其控制方程如下：

6.根据权利要求1所述的一种确定筒仓料拱形状和大小的数值模拟方法，其特征在于，s2中使用mohr-coulomb弹塑性模型来描述筒仓中散装物料的内聚流动行为；材料的弹性行为使用杨氏模量和泊松比进行描述：

7.根据权利要求1所述的一种确定筒仓料拱形状和大小的数值模拟方法，其特征在于，s2中fem有限元软件输出的结果包括颗粒流速、质量流率、压力分布表和颗粒流动特征的图像视频；

8.根据权利要求7所述的一种确定筒仓料拱形状和大小的数值模拟方法，其特征在于，基于颗粒流动图像视频生成筒仓颗粒流动状态可视化展示系统，通过可视化展示系统展示颗粒流动的状态。

9.根据权利要求1所述的一种确定筒仓料拱形状和大小的数值模拟方法，其特征在于，s5中预期要求设定为给料效率提高20％，设备能耗下降10％，结拱次数下降20％。

技术总结
本发明涉及筒仓数值模拟技术领域，特别是涉及一种确定筒仓料拱形状和大小的数值模拟方法。首先建立相对于筒仓的有限元法FEM数值模型，利用计算机模拟出筒仓内部不同参数颗粒的流动状态，之后利用模拟结果找到容易产生结拱的部位、形状和尺寸，最后获得新的设计图表，包括不同颗粒尺寸、形状、筒仓形状等参数下所对应不同的下料口尺寸，指导筒仓技改以及设计；本发明建立与实际工程相匹配的FEM数值模拟模型进行计算，可以快速准确的对筒仓内颗粒流动状态进行模拟，并可以实现结果的可视化，从而清楚得观察到颗粒在筒仓内部得流动状态。利用这种机理模型研究得方式可以更好得了解筒仓卸料中颗粒流动得基本原理从而从根源上解决可能出现的结拱问题。

技术研发人员：郑奇军,刘新宇,余艾冰,佟振博,陈子晗
受保护的技术使用者：东南大学
技术研发日：
技术公布日：2024/1/16