文摘

为了研究之间的联系和在往复振动响应影响煤矸石颗粒和金属板,根据赫兹接触理论,L-N接触模型和拉格朗日方程,本文建立了一个垂直impact-contact模型粒子自由下落时对金属板的影响。提出了可变阻尼模拟方法,变量的精度,验证了仿真在中往复碰撞阻尼结合常数阻尼模拟、可变阻尼模拟,落体impact-contact模型。功能性阻尼项和初始冲击速度之间的关系在Adams仿真也获得。然后,通过应用刚柔耦合方法由亚当斯和Hypermesh结合,三种类型的变量进行阻尼模拟:模拟的自由落下的岩石刚性球体影响刚性金属板,弹性岩石的模拟范围影响刚性金属板,和仿真领域影响的弹性岩石弹性金属板,分别。此外,接触和振动响应的岩石球和金属板三种类型的仿真进行了研究。impact-contact反应的结果表明,岩石球从模拟,获得弹性岩石球对弹性金属板的影响是更准确的。灵活处理后的岩石球和金属板,最系统的能量消耗在影响。结论将提供一个介质垂直往复影响理论计算方法和理论依据的设置阻尼项Adams仿真和支持的影响行为的研究基础研究煤矸石颗粒和金属板之间。

1。介绍

煤炭在中国能源资源中起着主导作用其中厚煤层占近一半的煤炭储量(1]。与技术full-mechanized综放,厚煤层的绝大多数是利用。在综放开采,大量的煤矸石颗粒滑动的液压动力支持,然后下降到刮板输送机通过掩护梁和尾梁。在这个过程中,单一或多个粒子之间的影响可以影响生产,以及颗粒和金属板之间的液压动力支持。作为数字矿山建设和煤矸石接口基于尾梁的振动信号识别技术的要求,研究振动信号和影响反应引起的力学行为之间的impact-contact煤矸石和金属板的液压驱动的支持已经成为一个重要的项目,这是对煤矿现代化的发展具有重要意义。

对煤矸石颗粒之间的碰撞行为和煤矸石颗粒之间的impact-contact问题和液压支架金属板,通过理论模拟和实验(2- - - - - -19),和其他方法,许多学者也进行了类似的研究在颗粒之间的接触行为20.和颗粒之间的接触行为和盘子21- - - - - -25)的早期阶段,它提供了基础研究煤矸石颗粒之间的碰撞行为或煤矸石和综放液压支架。杰克逊et al。26)调查的恢复系数影响elastic-perfectly塑料领域。赵et al。27]研究了弹塑性接触过程中接触行为与有限元模型的幂律硬化弹塑性范围和刚性平面。桑顿(28)提供了恢复系数的解析解的正常接触互动两个elastic-perfectly塑料领域。Jamari和Schipper29日]提出椭球体的弹塑性接触模型和接触参数的关系进行了研究。杜和王30.)建立了一个分段的弹塑性力学模型两个粒子之间的影响和模拟过程中利用有限元方法的影响。Vu-Quoc et al。31日]给出数值试验得到的数据,建立了正常和切向力-位移(FD)弹塑性模型领域的影响。根据赫兹接触理论和弹塑性强化理论,他et al。32]建立了粒子在准静态条件下的弹塑性的影响模型。此外,Krijt et al。33)进行的研究领域在正面能量耗散的影响,他们提出一个新的模型,对影响附着力和粘弹性自我一贯地,而塑性变形产生的能量损失是假定为添加剂。Kligerman et al。34研究了卸载过程弹塑性加载与刚性球体接触时平的。Ovcharenko et al。35)实验研究了球面之间的接触面积和平坦的加载、卸载,循环荷载。通过理论模型和有限元接触接触模拟岩石影响金属板时的考虑材料损伤,曾庆红et al。(36]研究了煤矸石时接触反应影响的金属板螺丝的支持。Cermik et al。37]斜的影响进行了研究与刚性平面弹性球体和正常的接触力偏转的函数研究了不同的情况。杨et al。38)进行了煤矸石影响金属板试验,研究了煤矸石识别基于测试信号和机器学习算法。以上这些研究将指导或参考研究影响行为的粒子和金属板之间在顶煤开采液压动力支持。但是现在,他们主要集中在单一影响粒子和盘子之间以及vibroimpact响应impact-contact的过程中,很少有研究对全球重复影响落体和板块碰撞或接触模拟阻尼项的设置过程。Kadin et al。39,40]研究了弹塑性范围的多个重复装卸和刚性平面调查load方法的演变为弹塑性曲线球面接触在其循环装卸。然而,循环往复的装卸过程并不意味着震惊和物体之间的引力反弹空间。接触阻尼的变化引起的变化联系速度也没有进一步探讨。此外,尽管impact-contact过程中的微观参数如接触应力和接触压力可以在前面的研究中提取通过有限元方法,研究macrokinetics仍然疲弱的属性。

上面的结果和缺陷的基础上,研究和赫兹接触模型和L-N接触模型,对落体impact-contact动力学模型时,粒子反复影响金属板,结合拉格朗日方程,建立了。通过之间的比较分析结果,亚当斯的刚性模拟和理论模型,功能阻尼项和初始冲击速度之间的关系在Adams仿真可以获得。在此基础上,动力学仿真软件Adams结合有限元软件Hypermesh阻尼模拟执行三种类型的变量,这是刚性模拟自由落下的岩石刚性球体影响刚性金属板(1型模拟),弹性岩石领域影响的模拟刚性金属板(2型模拟)和弹性岩石领域影响的模拟弹性金属板(3型模拟),分别。最后,vibroimpact响应和能量转换的岩石球和钣金件的vibroimpact响应进行了研究。

本文的其余部分组织如下:部分2建立了落体impact-contact动力学模型时,粒子反复影响金属板。部分3执行Adams仿真金属板时严格影响岩石球并确定功能阻尼项和初始冲击速度之间的关系。部分4进行三种类型的可变阻尼模拟当自由落下的岩石球影响金属板。然后,部分5分析了vibroimpact响应和岩石的能量转换领域和金属板的振动响应三种类型的模拟。最后,部分6显示了一些相关工作和结论。

2。落体Impact-Contact动力学模型

2.1。接触力模型

根据赫兹接触法(41),接触力之间的关系和球的变形δ在弹性球体的过程中影响刚性平面可以写成以下形式: 在哪里K是系统的接触刚度;E是系统的等效弹性模量;E₁,μ₁,E₂,μ₂弹性模量和泊松比的弹性球体和刚性平面;米是质量的弹性球体;n非线性系数;这是3/2的垂直impact-contact弹性球体和刚性平面水平表面。

根据赫兹接触法律,L-N模型(42,43)提出了Lankarani和动力学。非线性粘弹性模型,L-N模型是最受欢迎的和直接的接触力模型,在符合实验结果和有效的情况下,在接触过程中耗散的能量相对较小相比最大的弹性能量吸收。所以,L-N接触模型被选中。模型可以表示如下: 在哪里D阻尼系数, , 是弹性球的初始速度,球的速度,e_h恢复系数。

2.2。分析落体运动的过程

如图1,煤岩瀑布高度自由的范围h的加速度 。它复苏,分离后接触力影响下的金属板和压缩到最低点。此外,它没有采取岩石球体之间的摩擦和金属板考虑;因此,岩石球将向上移动和垂直减速的加速度在一个分离的速度。当它到达第二个的最高点h₁岩石球重复交替运动的三个阶段自由落下的身体,impact-contact,以较慢的速度向上运动。后我时间的影响,岩石球体,反弹高点,显示高度的球体的中心h_我。而且由于系统阻尼的影响,(我≥2)在整个运动。向上的过程中自由落下的身体和减速,系统只受重力的影响,岩石球之间的相互作用力和金属板显示零。impact-contact过程中,岩石球同时受重力和接触力的影响。这个时候,接触力计算L-N模型选择。

2.3。落体Impact-Contact模型

如图2的加速度(重力)是9.8 m / s²当向下运动被认为是积极的方向。假设初始球的中心之间的距离和金属板的上表面h球面运动的协调e岩石球体的半径R,岩石的压缩范围是δ;然后,我们获得

从方程(5),岩石球体之间的接触力和金属板

球的中心的初始位置被认为是零势能点,还有 在哪里球的速度吗我^th岩石之间的关键联系的时刻球和金属板,米₁岩石的质量,米₂金属板的质量,阻尼系数的吗我th contact-impact是 。

根据拉格朗日方程,岩石的动态模型影响金属板是由范围

从方程(8),我们获得

结合方程(7),(9)和(10),接触的关系力量能量之间的平衡岩球和金属板系统在整个impact-contact落体过程获得如下:

3所示。亚当斯刚性模拟岩石球影响金属板

3.1。仿真模型和参数设置

岩石的3 d模型球在Solidworks影响建立了金属板,然后引入Adams动力学仿真平台,其中金属板是由四个酒吧。岩石球、金属板、和支持酒吧是刚体,岩石球和金属板的尺寸如表所示1。根据表1,岩石的性质和金属板的定义,分别系统的加速度将−9.8 m / s。此外,固定对添加支持酒吧的底部和地面之间,支撑杆的顶部和底部之间的金属板的表面,如图3。

接触刚度和阻尼参数设置很重要在Adams仿真的影响。结合表中的数据1、接触刚度K= 5.1154524848E×108是计算方程(3)和(4)。从[44,45),接触的法向力是由以下关系: 在哪里d_马克斯是一个积极的实际价值指定边界渗透,我们准备好了吗n= 1.5,d_马克斯= 0.00001 m,C_马克斯是最大的阻尼系数。

接触问题是解决了亚当斯的“影响功能”,它可以表示以下形式:

我们知道,阻尼力变化的接触过程的变化δ从方程(5)。Khemili和Romdhane44考虑一个阻尼系数,是约百分之一的刚度系数,缺乏准确性和理论基础,在整个模拟阻尼保持不变。但在本文中,我们假定计算结果由方程(11)是正确的和设定值“阻尼”亚当斯取决于准确的仿真结果接近计算的;即“阻尼”调整得到准确的仿真结果。

3.2。理论和仿真结果

岩石的身体自由落下的球被定义为一个高度4米从岩石球体的中心金属板的上表面。模拟时间和模拟步骤建立5 s和20000步,分别。和理论曲线的位置获得岩石球体中心结合方程(11)。因此,相应的仿真结果如图4通过调整模拟阻尼。

图4显示5次之间的rebound-impact岩石球和金属板。通过调整接触阻尼,岩石的中心位置的模拟值范围在第一过程的影响是完全与理论值一致。第二的初始冲击速度的影响减少相比以前的阻尼作用下的影响。同时,累积误差是存在于软件计算过程。因此,反弹高度的仿真值中心的岩石的岩石的球体和压缩深度范围偏离理论值。更重要的是,错误的反弹高度的仿真值与理论值高达10.50%,第四的影响。是5.7%的误差仿真值与理论值之间的岩石球的最大压缩值在第五的影响。输入曲线中心的岩石球严重倾斜,和整个过程的模拟影响的设置下常数阻尼是不准确的。

每个影响变化的速度在往复式多个岩石球和金属板之间的影响,从而导致不同的阻尼。各种接触阻尼设置为不同的影响过程,分别在亚当斯。和曲线的理论接触反应,可变阻尼模拟、常数阻尼模拟得到的数据5- - - - - -8的曲线,岩石球体的中心的位置和曲线的impact-contact力量,速度,和加速岩石的球体。

从图可以看出,时间和阻尼的该变量的值进行仿真更接近理论值比常数阻尼模拟。是考虑的变化速度的影响。因此,通过调整阻尼参数在每个影响过程,模拟的位置,接触力、速度和加速度的可变阻尼影响获得几乎相同的与相应的理论曲线。考虑岩石的最大压缩范围(最大埋深)和接触力的影响为例,常数之间的误差比例阻尼模拟和理论价值和可变阻尼模拟和理论值之间的五倍rebound-impact得到,分别如表所示2。数据显示,最大压缩的最大误差之间的岩石球模拟和理论价值是通过可变阻尼减少从7.1653036%到0.99511%的模拟,而最大误差之间的接触力可变阻尼模拟和理论价值从12.1263013%降低到6.3566174%。与常数阻尼模拟相比,可变阻尼模拟更准确。因此,下面的研究将基于可变阻尼的方法进行模拟。五倍的阻尼参数可变阻尼影响的仿真设置为179.75 N·s / m, 172.8 N·s / m, 166.3 N·s / m, 160.9 N·s / m,分别和156.5 N·s / m。接触阻尼逐渐减少作为初始冲击速度下降。基于模拟可变阻尼,阻尼之间的关系词和Adams仿真初始冲击速度(当岩石球25毫米半径影响金属板和其他参数表所示1)方法如下: 。

4所示。应用刚柔耦合仿真的落体撞击金属板

事实上,岩石球和金属板都具有弹性。然而,落体impact-contact动力学模型建立在纸和亚当斯的刚性模拟岩石领域影响金属板不考虑弹性变形,这将不可避免地导致结果错误之间的理论计算和仿真。因此,亚当斯的基础上严格的仿真模型,有限元法和冲击动力学仿真相结合进行应用刚柔耦合分析落体冲击模型。

金属板和岩石领域由Hypermesh网状实现组件的灵活性其中岩石球体分为499和264年的网格,而金属板是27304网格。为了确保传输的影响力量,下表面之间的接触面积的金属板和支持在Hypermesh酒吧被定义为刚性区域。组件网格如图9。

为了实现比较分析,三种simulations-the刚性模拟岩石球影响高度4米(如图3),模拟弹性岩石球影响刚性板,和模拟弹性岩石球影响弹性板块,分别进行了在这篇文章中,这被定义为第一种模拟(1型模拟),第二种类型的仿真模拟(2型),第三种类型的仿真模拟(类型3)。更重要的是,2型模拟是基于刚性Adams仿真模型;因此,岩石球由Hypermesh将被引入,以网状模型代替刚性岩石球体。3型模拟,岩石球和金属板网状Hypermesh将导入的模型来代替刚性岩石球和刚性的金属板,分别。实现定量比较n^th阻尼的影响2型和3型仿真模拟相应的设置是一样的n^th1型模拟阻尼的影响,其他参数也一样1型。

5。结果讨论与分析

5.1。分析岩石球体接触反应的三种类型的模拟

数据10- - - - - -13显示重心的位置,接触力、速度和加速度曲线的质心岩石球在5倍岩石球体之间的影响和金属板三种类型的模拟。

从数据可以看出10- - - - - -13)输入和速度-时间曲线相互一致以来的三种类型的模拟岩石球从4米的高度,第一次接触金属板。接触参数和能量转换机制变化的变化状态岩石球和金属板在1型模拟中,2型模拟,和3型仿真,进而导致岩石球的不同的压缩和能量转换过程。然后,岩石球的反弹高度和reimpact时间变化后第一个rebound-impact从金属板和分离。目前的第一影响,岩石的初始冲击速度范围的三种类型的仿真是相同的;的接触力和加速度的岩石球体重心1型模拟高达9583.984 N, 106101 m / s²,分别。因为第二个和第三个仿真组件的灵活处理,接触力降低到3582.036 N和3680.223 N,分别,而岩石的质心加速度范围减少到39656 m / s²和40743.3 m / s²,分别。第一次冲击后,岩石球体的三种类型的模拟分离金属板,和最大的反弹高度2.41132米,0.26228米,0.18278米,分别,其中岩石球的反弹高度在2型和3型远低于1型。因此,1型模拟相比,其他两个的初始冲击速度又不影响发生时;岩石的接触力和质心加速度范围远,时间也短于1型的影响。影响数量的增加,岩石的接触反应的差异比球体之间的1型和2型和1型和3型之间增加由于累积误差。以5倍的影响为例,五次的总时间2型和3型模拟的影响小于总时间的前两届1型模拟的影响。

的数据,也可以知道岩石的初始冲击速度球模拟三种类型的第一影响是相同的,和最大接触力产生的影响之间的岩石球和金属板2型模拟弱于3型。为什么反弹的高度、速度和加速度的质心的岩石球2型模拟都要比其他类型的3在于后者的金属板将吸收能量后impact-contact过程灵活。3型仿真相比,2型更高的反弹高度后第一个影响。因此,反弹高度,接触力,速度,和加速度的质心岩石球2型模拟中大于3在第二至第五类型的影响,和反弹时间滞后。因为积累误差,岩石的接触反应的差异率范围是广泛的随着时间的增加的影响。

影响对象的灵活的治疗后,impact-contact响应远低于纯刚性的影响。考虑更多的影响因素,响应法获得比刚性影响更准确的模拟。

5.2。岩石的能量范围在2型和3模拟

过程中岩石球下降及其对金属板的影响,转换和传输系统中生成能量。1型模拟属于纯刚性的影响,而2型和3型都伴随着岩石的弹性变形范围。四个曲线的动能,势能,应变能,岩石球体的转动能量2型和3型模拟数据所示14- - - - - -17。

每一个岩石的初始位置范围在5倍的影响被认为是零势能点。它可以知道岩石的相对势能的变化范围逐渐降低随着时间的增加影响,这是因为岩石球的反弹高度逐渐降低后每个影响执行的影响。在每个影响,岩石球的反弹高度逐渐降低。和势能的减少会导致减少的其他能源转移到其他地方。众所周知的人物,随着时间的增加影响,最大动能,最大应变能,岩石球的最大转动能量逐渐减少在每个影响。五倍的影响在整个生产过程中模拟进行独立;因此,岩石球的每个部分的能量变化趋势是第一个影响一样。

岩石的每一部分的能量球在第一次的影响可以利用一个例子。从最初的第一影响下降,岩石的最大相对势能的变化范围在3.51799 J 2型模拟,和岩石的初始动能领域最初的接触时间是3.51785 J。在碰撞的瞬间,岩石球的动能迅速下降到零,然后分开的金属板的能量0.21011 J。剩余动能占不到6%的最大相对势能变化岩石的球体。和岩石球的最大弹性应变能在压缩0.32 J,只占9.1%的最大相对势能的变化。岩石球的动能包括平动动能和旋转的能量。只有垂直冲击岩石球和金属板之间被认为是模拟,没有摩擦和其他参数设置。岩石的旋转球后造成的影响主要是模拟软件的计算误差。可以被忽视,其旋转的能量小于10⁻⁶和最大旋转能量小于6×10⁻⁷J。3型模拟,岩石的最大相对势能的变化范围显示3.51801 J。岩石的初始动能球体在初始接触时间是3.51786 J,岩石球的动能迅速下降到零,然后分开的金属板的能量0.13997 J。剩余动能占不到4%的最大相对势能变化岩石的球体。岩石球压缩的最大弹性应变能是0.2935 J,只占9.3%。此外,最大的旋转能量小于10⁻⁶J,也可以忽略。

两种类型的模拟是相同的能量的变化规律表现在五倍的影响。影响后,岩石球的反弹高度2型大于3型,导致最大相对势能的变化,最大剩余动能,和岩石的应变能范围也更大。岩石弹性变形出现在球和金属板3型模拟,导致第三种类型的旋转能量大于第二种类型。影响时间的增加和累积误差的存在,不同的两种类型的模拟之间的能量逐渐增加。同时,它可以分析,只有少数的岩石势能转化为岩石球的能量治疗后的灵活性,和其他系统能量耗散的影响。虽然两种类型的模拟之间的能量差相对较少,类型3的结果更真实和可信的2型相比,这是因为前者认为金属板的变形能量吸收灵活处理后的金属板。

5.3。3型金属板的振动响应模拟

金属板属于宏观的3 d薄钢板。结果,灵活处理后的板,不仅岩石的弹性变形范围出现在系统,而且振动冲击响应生成的金属板。数据18- - - - - -23显示振动响应和能量变化曲线后的金属板的影响。

如图,金属板的重心上下振动在初始位置后影响岩石球体,势能零势能点,周围的振动速度和加速度也存在往复振动。由于等参数影响系统阻尼,金属板的振动响应与时间的增加逐渐减少的影响。的影响下岩石球25毫米的半径和速度为8.85米/秒,金属板的重心的最大位移显示10⁻⁴米,大约1.25%的金属板的厚度。质心的最大速度达到0.1 m / s,和质心的最大加速度达到200 m / s²。随着时间的增加的影响,质心的位移和速度减少绝食者的最大加速度减小较慢。最大加速度的重心仍在31 m / s²在第五的影响,振动响应加速度是引人注目的。因此,可以采用加速度作为目标参数,和金属板的振动加速度信号可以通过使用高精度加速度传感器来实现实验分析。此外,还可以使用速度作为数据分析的目标参数进行实验时。最大的金属板的相对势能的变化小于0.015 J和势能的变化。的最大动能金属板是0.29412 J,占8.36%的最大相对势能变化岩石的球体。和其最大应变能是0.13225 J,占3.76%的最大相对势能变化岩石的球体。当领域影响的弹性岩石弹性金属板,金属板的总能量占超过11%的最大势能变化的岩石球体,它不能被忽视。否则,它是不准确的预测接触反应。金属板的弹性变形是一个必须考虑的因素在岩石之间的impact-contact球体和金属薄板。与第一个影响相比,金属板的最大动能和应变能在第二个影响大大降低。 Combined with the energy conversion in the Type 3 simulation of the rock sphere, most energy of the system is consumed when the rock sphere and metal plate are flexibly treated.

6。结论

根据赫兹接触理论,L-N接触模型,和重复分析影响物体自由下降,影响金属板,本文建立了动力学模型,岩石球影响金属板结合拉格朗日方程。刚性常数和变量之间的比较分析阻尼模拟和理论结果,功能性阻尼项和初始冲击速度之间的关系在Adams仿真实现。可变阻尼模拟的基础上,本文还结合了亚当斯和Hypermesh进行三种类型的模拟当岩石球落自由地从一个高度4米,影响金属板,这是岩石的刚性仿真领域影响金属板,模拟弹性岩石球影响刚性金属板,和仿真领域影响的弹性岩石弹性金属板。结果总结如下:(1)岩石领域影响的动力学模型建立了金属板。此外,提出了可变阻尼模拟的方法可以用于研究岩石球的振动响应和金属板的垂直往复的影响。与常数阻尼模拟相比,最大误差的最大压缩岩球和仿真和理论之间的接触力值从7.1653036%和12.1263013%减少到0.95271%和6.3566174%,分别。可变阻尼的刚性模拟更符合理论结果,和可变阻尼模拟更准确。(2)根据本文建立的理论模型,五倍的阻尼影响的刚性冲击模拟179.75 N·s / m, 172.8 N·s / m, 166.3 N·s / m, 160.9 N·s / m,分别和156.5 N·s / m。数据的基础上,本文首先提出了功能之间的关系接触阻尼项和Adams仿真平台的初始impact-contact速度。在上述条件下,函数可以表示为 。(3)在相同阻尼影响对象的设置和灵活处理后(类型2和3模拟),impact-contact反应如质心的位移、接触力、速度和加速度的质心岩石球都大大降低。进一步影响因素被认为是。因此,响应法更精确的模拟与刚性的影响。(4)与2型仿真相比,impact-contact反应3型模拟如质心的位移、接触力、速度和加速度的质量中心大大减少由于考虑弹性变形的金属板及其能量吸收。此外,转动能量,动能,势能的相对变化,和应变能的岩石球后减少的影响,除了摇滚球体的转动。(5)影响后,振动响应质心的速度和加速度等金属板是显著的。因此,可以利用速度和加速度作为目标参数。在实际的实验中,这两个金属板可以得到的振动信号分析的高精度加速度传感器或其他设施。(6)影响岩石后球体,金属板的总能量占超过11%的最大相对势能变化岩石的球体。理论和仿真方法研究颗粒之间的接触反应和金属板的影响是不准确不考虑金属板的挠度和能量吸收。灵活的治疗后的岩石球和金属板,大部分能量在系统消耗的影响,只有一部分是转化为岩石的能量球和金属板。

本文的结论将提供一个对象之间的垂直往复的影响,理论计算方法的理论基础在Adams仿真设置阻尼项,连续介质impact-contact可变阻尼模拟方法,和目标测量参数的实验测试。此外,它将支持研究依据行为的影响煤矸石颗粒和金属板之间的过程中煤矸石屈服和自动采矿技术的实现。

数据可用性

使用的数据来支持本研究的结果都包含在这篇文章,可从相应的作者。

的利益冲突

作者宣称没有利益冲突。

确认

这项工作得到了国家自然科学基金(批准号51674155和51674155),教育部创新团队开发项目(批准号IRT_16R45),爬泰山学者、工程专项资金山东省国家自然科学基金(批准号ZR2019BEE066),研究生科技创新项目山东科技大学(批准号SDKDYC190108)、青年教育科学规划项目山东Province-Academic项目的大学生(19 bsh099),和机电工程学院学生科技创新团队在山东科技大学(ZD201901)。