EDEM-颗粒系统的离散元模拟与测试

机械工程学院级硕士研究生一级学科实验任务书

实验人员：实验成绩：

指导老师：

实验时间：实验学时：2学时

实验地点：

实验名称：颗粒系统的离散元模拟与测试实验

实验设备：EDEM软件

实验内容：1）EDEM软件开发及应用

2）EDEM软件操作过程

3)基于EDEM的箱体浇注实验设计

基于EDEM的箱体浇注实验设计

一.实验目的和任务

1.设计一个箱体浇注实验，并给出实验方案的设计过程和流程图；

2.在流动场条件下施加振动对固体颗粒运动的影响，试图得到颗粒在复杂的铸件结构下的充型状态图等，并分析各个振动条件（振动自由度、频率、振幅）对充型情况影响程度的大小。

3.分析参数对充型过程的影响，找出最佳实验方案。

二．实验内容

1.实验原理

利用EDEM与Fluent固液耦合的方法研究在固液两相流的条件下，机械振动对铸造充型过程的影响，随着计算机模拟技术的发展，将计算机模拟技术和铸造过程相结合已经成为一种趋势。铸造过程数值模拟可以预测铸件的缺陷，如缩孔、缩松、裂纹、气孔及浇不足等，并通过图像直观地显示其位置和大小，从而为技术人员提供参考。在生产前制定合理的工艺方案，可以减少多次试制造成的浪费。通过观察温度场，技术人员可以分析气孔和浇不足等缺陷；观察金属液体充型时的流场分布情况，可以分析浇注系统是否合理；通过对凝固过程的分析可以预测缩孔、缩松、应力集中和裂纹等缺陷。通过对充型和凝固过程的分析，可以寻找最优的铸造参数。

2.实验设计过程

首先是设计出合理的减速机箱体的铸造尺寸，完成箱体的三维建模，然后利用ProCAST对静止条件下的模型进行简单充型，通过EDME-Fluent进行耦合，设定耦合参数，进行实验，调节参数的大小，记录实验结果，并整理。接着对实验结果进行耦合分析，寻找最优的铸造参数，然后确定最佳铸造方案。其流程图如下图所示：

减速机箱体浇注的实验流程图

3.实验具体步骤

（1）根据实际情况，计算出毛坯件尺寸要留有加工余量，并用proe或solidworks完成三维建模，模具示意图如下图所示：

图1 减速机箱体模具示意图

（2）进行ProCAST充型仿真，将三维建模图形转为igs格式，导入ProCAST软件进行网格划分，之后选择材料、边界条件、界面传热条件，在由计算机求解转化为可视化结果或者结果分析。

（3）运用EDEM进行固液耦合，耦合的模型选择欧拉法—欧拉耦合模型。

（4）设置模型参数和颗粒属性。在Globals选项卡中设置全局变量，包括重力、材料和接触参数等信息。重力加速度设为-9.81m/s2，方向为Z向。仿真模型设为接触碰撞模型，颗粒与几何体的材料参数如表2和表3所示。选择球形颗粒作为仿真模型，设置颗粒直径为0.2mm。

表2 材料参数

表3接触参数

（2）利用前处理软件gambit生成非结构四面体网格，减速机箱体在CFD中计算区域为模型内部型腔，计算入口速度设为1m/s，出口采用压力出口，模型外壳为壁面边界，采用欧拉两相流模型，在Fluent中设置液体参数，固体颗粒设置为固体HT250，湍流模型采用k-s模型，速度-压力模型采用SIMPLE算法。

4.实验模拟及结果分析

为了考察不同振动条件对金属液充型过程的影响程度，减少试验次数，进行正交实验，确定各因素的显著水平，讨论不同参数条件下，考察区域内充型颗粒数目n的大小，耦合时间为1s.

减速机箱体因素水平表

在固液两相流耦合的情况下，EDEM中显示结果，观察在不同振动条件下，金属液充型过程中颗粒的运动状态，在固液耦合过程中，多维振动充型开始时，金属液中的固体颗粒从内浇道顶端以一定初速度开始生成，并在重力以及液体的冲击下开始自内浇道下降。随着颗粒的连续生成，颗粒随着液体的流动而流向型腔内部，金属液受到多维振动所施加的力不同，金属液对颗粒的冲击程度也不同，颗粒能够到达的位置也不同。

在本次实验中，影响充型过程的主要因素有三个，自由度、频率和振幅，通过减速机箱体对对这三个因素的敏感度的不同，分析出最优铸造参数，进而找到最佳铸造方案。