离散元在旧砂再生中的应用

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摘 要：文章主要引用一种离散元软件PFC3D在铸造旧砂的再生工作中，将岩土工程中的软件应用在一种新型砂轮式旧砂再生设备，通过设备的三维建模、模拟仿真、样机生产安调等工作对软件进行摸索实验。

关键词：旧砂再生；PFC3D；样机

1 旧砂再生意义

铸造业是机械工业不可缺少提供毛坯主要基地，其中以砂型铸造为主，我国几年铸件产量在1000万吨以上，其中全国一年废弃旧砂大约1000万吨。旧砂再生是降低铸件成本、提高铸件质量、减少环境污染和节约资源的一个重要措施。型砂的质量直接影响铸件的质量。因此，为了保证提高鑄件质量，就必须严格控制型砂质量。旧砂再生则是很有效的措施之一。

由于在经济、环保及技术质量上的一系列优点，旧砂再生日益受到重视。在当前我国的四化建设中，旧砂再生技术，正随着铸造工业的发展而发展。尤其是随着自硬砂造型工艺的迅速发展，旧砂再生技术具有更重要的意义。现有的国内外铸造旧砂再生主要方法有：干法、湿法、热法、物理方法、化学方法、联合方法等。

2 离散元法及PFC3D软件

2.1 离散元法

离散单元法的提出是70年代，描述的是节理岩体以及不连续介质有效数值方法，离散单元法认为岩体是由节理等不连续结构面切割而成的相互接触的单元组成，并且受这些不连续结构面控制。在计算过程中，单元可以旋转、移动，一个单元与相邻单元可以接触，可以分开、滑移等运动。所以，离散单元法可以方便地模拟介质的大变形、滑移旋转、以及分离引起的非线性特性。离散单元法可以分为角-边（角-面）接触模型和边-边（面-面）接触模型。

2.2 PFC3D软件

美国ITASCA咨询公司旗下岩土工程专业软件如下：FLAC、FLAC3D、PFC2D和PFC3D等，其中PFC（Particle Flow Code）利用显式差分算法和离散单元理论开发的微/细观力学程序，是从介质基本粒子结构的角度考虑介质基本力学特性，并认为给定介质的基本特性主要取决粒子之间接触状态的变化，适用于研究粒状集合体破裂发展问题、颗粒的流动（大位移）问题。由于PFC不是为研究某种特殊问题而设计，它应用范围可延伸到任何颗粒系统动力学分析。它能准确地描述非线性行为、定位，而这些是其他有限元分析软件所无法比拟的。

PFC软件基本功能及特征：（1）颗粒集合体组成的介质，由颗粒与颗粒之间接触两个部分组成，颗粒大小任意分布的特点为仿真提供了便利；（2）“接触”物理模型由线性弹簧简化的Hertz-Mindlin、接触或平行链接等模型组成；（3）接触方式和强度特征是决定介质基本性质的重要因素；（4）接触性质的墙体（自身）、普通墙体均可以指定任何方向的线段，也为墙体实体的搭建提供便利；（5）墙体与模型颗粒在整个仿真过程可以随时变化；（6）“蜂房”映射逻辑的使用确保了解题时间与系统颗粒数目呈线性（而非指数）增长；（7）通过能量跟踪观察体功、边界功、链接能、动能、应变能；（8）密度调节功能可用来增加时间步长和优化解题效率；（9）可以任意多个环形区域

量测平均应力、应变率和空隙率；（10）除全动态操作模式外，PFC还提供了准静态操作模式以确保快速收敛到稳定状态解；（11）可以实时追踪所有变量并能存储起来或绘成“历史”示图；（12）内置接触模型包括：简单的粘弹性模型、以及位移软化模型。

3 设备结构及分析

3.1 设备结构

铸造旧砂通过进砂口放入，通过砂轮、叶片的相对转动对铸造旧砂进行摩擦去除旧砂外壳。其中以下几个方面再设计过程中进行了考虑：（1）砂轮直径选择了300mm的，这样不但可以提高砂轮转动的线速度，而且可以选择转速比较小的电机，降低试验装置成本。（2）支架修改为放在一个平面上而不是一条直线上，这样可以减少整个实验设备在转动过程中的振动。（3）叶片与砂轮的间距可以从0～10mm的范围内进行调节，因为是实验装置，在叶片与砂轮间距方面没有一定的借鉴参数所以从0mm开始。（4）在外壳的卸砂处增添腰子孔，这样可以减少再生后出砂时因拆卸外壳而带来的不便。（5）观察叶片组的是否转动问题。（6）砂轮的定位、安装装置。

3.2 离散元分析

在离散元分析中主要包括两个部分：第一，筒体、砂轮、叶片、再生旧砂的建模；第二，砂轮转速、粒子位置、粒子与砂轮、叶片之间的运动参数的设定。

具体方法如下：（1）筒体利用软件中wall命令，创建了一个直径是450mm，厚度是300mm的刚性圆柱。（2）砂轮同样也是通过wall语句创造的直径为300mm，厚度是100mm的刚性墙体。（3）叶片的坐标的统计是一个比较繁琐的工程，因为涉及到24片均匀分布在一周的叶片，而每个叶片有8个顶点，每个顶点3个坐标。叶片与砂轮之间的间距选取2mm和4mm。（4）砂轮转速的选取主要还是选择15m/s。（5）粒子直径根据实际参数为0.2mm～0.6mm，但在建模时几乎看不到，所以选择扩大十倍，选取统一直径2mm。粒子作用区域根据测试区域不同，应用gen命令，设置范围。（6）而粒子与砂轮之间的摩擦因数在国际上尚无借鉴资料，初步选择fric命令定义0.3，粒子个数选择40，分析步骤为400。（7）重力加速度gravity-9.81。此分析的不足在于模型的建立与实际情况稍有差距，但也能部分反映出砂粒在再生装置中的运动情况。

运动情况的分析可以对粒子与叶片之间的碰撞情况，经过分析可以看到叶片的第十片之后基本没有参加再生碰撞。

4 论文研究成果

本文研究的是铸造旧砂再生的一种再生方法及引入了离散元理论和离散元仿真软件，具体成果如下：（1）开发一种新的再生设备是可行的，作为旧砂再生的一种新型设备，其应用前景及市场认可度十分广泛。（2）对比了国内外各种再生方法及对应的再生设备之后，设计出了带有叶片式的旧砂再生磨轮机，并为了拓展空间及向工业化转换的考虑，在结构参数选择上以可变性为思想。（3）按照设计出的样机模型加工、安装，并对云南某企业的铸造旧砂进行再生试验，试验后对再生后的铸造旧砂进行铸造旧砂参数试验。得出了在砂轮线速度为15m/s、叶片与砂轮之间间距为2mm，加工时间为2min时含泥量最低，再生效果较好。（4）学习了离散元理论及分析软件PFC3D，比较成功的将其引入到旧砂再生领域。对运动在样机筒体内的铸造旧砂粒子进行了运动情况分析。此分析结论所得结果与再生实验的结论比较相符，而且可以作为以后设备改进的一个较为重要的参照依据。

作者简介：何亮（1980-），男，籍贯：河北昌黎，硕士研究生学历，工程师，现就职于云南机电职业技术学院，研究方向：机械设计及理论。