離散元在舊砂再生中的應(yīng)用

何亮+++趙艷妮+++劉棟+++溫成卓

摘 要：文章主要引用一種離散元軟件PFC3D在鑄造舊砂的再生工作中，將巖土工程中的軟件應(yīng)用在一種新型砂輪式舊砂再生設(shè)備，通過設(shè)備的三維建模、模擬仿真、樣機(jī)生產(chǎn)安調(diào)等工作對(duì)軟件進(jìn)行摸索實(shí)驗(yàn)。

關(guān)鍵詞：舊砂再生；PFC3D；樣機(jī)

1 舊砂再生意義

鑄造業(yè)是機(jī)械工業(yè)不可缺少提供毛坯主要基地，其中以砂型鑄造為主，我國(guó)幾年鑄件產(chǎn)量在1000萬噸以上，其中全國(guó)一年廢棄舊砂大約1000萬噸。舊砂再生是降低鑄件成本、提高鑄件質(zhì)量、減少環(huán)境污染和節(jié)約資源的一個(gè)重要措施。型砂的質(zhì)量直接影響鑄件的質(zhì)量。因此，為了保證提高鑄件質(zhì)量，就必須嚴(yán)格控制型砂質(zhì)量。舊砂再生則是很有效的措施之一。

由于在經(jīng)濟(jì)、環(huán)保及技術(shù)質(zhì)量上的一系列優(yōu)點(diǎn)，舊砂再生日益受到重視。在當(dāng)前我國(guó)的四化建設(shè)中，舊砂再生技術(shù)，正隨著鑄造工業(yè)的發(fā)展而發(fā)展。尤其是隨著自硬砂造型工藝的迅速發(fā)展，舊砂再生技術(shù)具有更重要的意義。現(xiàn)有的國(guó)內(nèi)外鑄造舊砂再生主要方法有：干法、濕法、熱法、物理方法、化學(xué)方法、聯(lián)合方法等。

2 離散元法及PFC3D軟件

2.1 離散元法

離散單元法的提出是70年代，描述的是節(jié)理巖體以及不連續(xù)介質(zhì)有效數(shù)值方法，離散單元法認(rèn)為巖體是由節(jié)理等不連續(xù)結(jié)構(gòu)面切割而成的相互接觸的單元組成，并且受這些不連續(xù)結(jié)構(gòu)面控制。在計(jì)算過程中，單元可以旋轉(zhuǎn)、移動(dòng)，一個(gè)單元與相鄰單元可以接觸，可以分開、滑移等運(yùn)動(dòng)。所以，離散單元法可以方便地模擬介質(zhì)的大變形、滑移旋轉(zhuǎn)、以及分離引起的非線性特性。離散單元法可以分為角-邊（角-面）接觸模型和邊-邊（面-面）接觸模型。

2.2 PFC3D軟件

美國(guó)ITASCA咨詢公司旗下巖土工程專業(yè)軟件如下：FLAC、FLAC3D、PFC2D和PFC3D等，其中PFC（Particle Flow Code）利用顯式差分算法和離散單元理論開發(fā)的微/細(xì)觀力學(xué)程序，是從介質(zhì)基本粒子結(jié)構(gòu)的角度考慮介質(zhì)基本力學(xué)特性，并認(rèn)為給定介質(zhì)的基本特性主要取決粒子之間接觸狀態(tài)的變化，適用于研究粒狀集合體破裂發(fā)展問題、顆粒的流動(dòng)（大位移）問題。由于PFC不是為研究某種特殊問題而設(shè)計(jì)，它應(yīng)用范圍可延伸到任何顆粒系統(tǒng)動(dòng)力學(xué)分析。它能準(zhǔn)確地描述非線性行為、定位，而這些是其他有限元分析軟件所無法比擬的。

PFC軟件基本功能及特征：（1）顆粒集合體組成的介質(zhì)，由顆粒與顆粒之間接觸兩個(gè)部分組成，顆粒大小任意分布的特點(diǎn)為仿真提供了便利；（2）“接觸”物理模型由線性彈簧簡(jiǎn)化的Hertz-Mindlin、接觸或平行鏈接等模型組成；（3）接觸方式和強(qiáng)度特征是決定介質(zhì)基本性質(zhì)的重要因素；（4）接觸性質(zhì)的墻體（自身）、普通墻體均可以指定任何方向的線段，也為墻體實(shí)體的搭建提供便利；（5）墻體與模型顆粒在整個(gè)仿真過程可以隨時(shí)變化；（6）“蜂房”映射邏輯的使用確保了解題時(shí)間與系統(tǒng)顆粒數(shù)目呈線性（而非指數(shù)）增長(zhǎng)；（7）通過能量跟蹤觀察體功、邊界功、鏈接能、動(dòng)能、應(yīng)變能；（8）密度調(diào)節(jié)功能可用來增加時(shí)間步長(zhǎng)和優(yōu)化解題效率；（9）可以任意多個(gè)環(huán)形區(qū)域

量測(cè)平均應(yīng)力、應(yīng)變率和空隙率；（10）除全動(dòng)態(tài)操作模式外，PFC還提供了準(zhǔn)靜態(tài)操作模式以確?？焖偈諗康椒€(wěn)定狀態(tài)解；（11）可以實(shí)時(shí)追蹤所有變量并能存儲(chǔ)起來或繪成“歷史”示圖；（12）內(nèi)置接觸模型包括：簡(jiǎn)單的粘彈性模型、以及位移軟化模型。

3 設(shè)備結(jié)構(gòu)及分析

3.1 設(shè)備結(jié)構(gòu)

鑄造舊砂通過進(jìn)砂口放入，通過砂輪、葉片的相對(duì)轉(zhuǎn)動(dòng)對(duì)鑄造舊砂進(jìn)行摩擦去除舊砂外殼。其中以下幾個(gè)方面再設(shè)計(jì)過程中進(jìn)行了考慮：（1）砂輪直徑選擇了300mm的，這樣不但可以提高砂輪轉(zhuǎn)動(dòng)的線速度，而且可以選擇轉(zhuǎn)速比較小的電機(jī)，降低試驗(yàn)裝置成本。（2）支架修改為放在一個(gè)平面上而不是一條直線上，這樣可以減少整個(gè)實(shí)驗(yàn)設(shè)備在轉(zhuǎn)動(dòng)過程中的振動(dòng)。（3）葉片與砂輪的間距可以從0～10mm的范圍內(nèi)進(jìn)行調(diào)節(jié)，因?yàn)槭菍?shí)驗(yàn)裝置，在葉片與砂輪間距方面沒有一定的借鑒參數(shù)所以從0mm開始。（4）在外殼的卸砂處增添腰子孔，這樣可以減少再生后出砂時(shí)因拆卸外殼而帶來的不便。（5）觀察葉片組的是否轉(zhuǎn)動(dòng)問題。（6）砂輪的定位、安裝裝置。

3.2 離散元分析

在離散元分析中主要包括兩個(gè)部分：第一，筒體、砂輪、葉片、再生舊砂的建模；第二，砂輪轉(zhuǎn)速、粒子位置、粒子與砂輪、葉片之間的運(yùn)動(dòng)參數(shù)的設(shè)定。

具體方法如下：（1）筒體利用軟件中wall命令，創(chuàng)建了一個(gè)直徑是450mm，厚度是300mm的剛性圓柱。（2）砂輪同樣也是通過wall語句創(chuàng)造的直徑為300mm，厚度是100mm的剛性墻體。（3）葉片的坐標(biāo)的統(tǒng)計(jì)是一個(gè)比較繁瑣的工程，因?yàn)樯婕暗?4片均勻分布在一周的葉片，而每個(gè)葉片有8個(gè)頂點(diǎn)，每個(gè)頂點(diǎn)3個(gè)坐標(biāo)。葉片與砂輪之間的間距選取2mm和4mm。（4）砂輪轉(zhuǎn)速的選取主要還是選擇15m/s。（5）粒子直徑根據(jù)實(shí)際參數(shù)為0.2mm～0.6mm，但在建模時(shí)幾乎看不到，所以選擇擴(kuò)大十倍，選取統(tǒng)一直徑2mm。粒子作用區(qū)域根據(jù)測(cè)試區(qū)域不同，應(yīng)用gen命令，設(shè)置范圍。（6）而粒子與砂輪之間的摩擦因數(shù)在國(guó)際上尚無借鑒資料，初步選擇fric命令定義0.3，粒子個(gè)數(shù)選擇40，分析步驟為400。（7）重力加速度gravity-9.81。此分析的不足在于模型的建立與實(shí)際情況稍有差距，但也能部分反映出砂粒在再生裝置中的運(yùn)動(dòng)情況。

運(yùn)動(dòng)情況的分析可以對(duì)粒子與葉片之間的碰撞情況，經(jīng)過分析可以看到葉片的第十片之后基本沒有參加再生碰撞。

4 論文研究成果

本文研究的是鑄造舊砂再生的一種再生方法及引入了離散元理論和離散元仿真軟件，具體成果如下：（1）開發(fā)一種新的再生設(shè)備是可行的，作為舊砂再生的一種新型設(shè)備，其應(yīng)用前景及市場(chǎng)認(rèn)可度十分廣泛。（2）對(duì)比了國(guó)內(nèi)外各種再生方法及對(duì)應(yīng)的再生設(shè)備之后，設(shè)計(jì)出了帶有葉片式的舊砂再生磨輪機(jī)，并為了拓展空間及向工業(yè)化轉(zhuǎn)換的考慮，在結(jié)構(gòu)參數(shù)選擇上以可變性為思想。（3）按照設(shè)計(jì)出的樣機(jī)模型加工、安裝，并對(duì)云南某企業(yè)的鑄造舊砂進(jìn)行再生試驗(yàn)，試驗(yàn)后對(duì)再生后的鑄造舊砂進(jìn)行鑄造舊砂參數(shù)試驗(yàn)。得出了在砂輪線速度為15m/s、葉片與砂輪之間間距為2mm，加工時(shí)間為2min時(shí)含泥量最低，再生效果較好。（4）學(xué)習(xí)了離散元理論及分析軟件PFC3D，比較成功的將其引入到舊砂再生領(lǐng)域。對(duì)運(yùn)動(dòng)在樣機(jī)筒體內(nèi)的鑄造舊砂粒子進(jìn)行了運(yùn)動(dòng)情況分析。此分析結(jié)論所得結(jié)果與再生實(shí)驗(yàn)的結(jié)論比較相符，而且可以作為以后設(shè)備改進(jìn)的一個(gè)較為重要的參照依據(jù)。

作者簡(jiǎn)介：何亮（1980-），男，籍貫：河北昌黎，碩士研究生學(xué)歷，工程師，現(xiàn)就職于云南機(jī)電職業(yè)技術(shù)學(xué)院，研究方向：機(jī)械設(shè)計(jì)及理論。