沖擊過程中散粒貨物的流態(tài)

1、沖擊過程中散粒貨物的流態(tài)及其對敞車壓力的研究 焦平，魯寨軍作者簡介：焦平（1986-），男，碩士. E-mail: jpingcsu1.5Key Laboratory of Traffic Safety on the Track of Ministry of Education, Central South University, Changsha, Hunan, China, 410075;Key Laboratory of Traffic Safety on the Track of Ministry of Education, Central South University, Chan

2、gsha, Hunan, China, 410075中南大學(xué) 軌道交通安全教育部重點實驗室，湖南長沙，410075;中南大學(xué) 軌道交通安全教育部重點實驗室，湖南長沙，41007541007513507413623;湖南省長沙市韶山南路22號中南大學(xué)鐵道校區(qū)高速列車研究中心;jpingcsu;ljz-zj焦平（1986-），男，碩士;焦平;魯寨軍JIAO Ping;LU Zhaijun焦平1.51.51.51.51.51.51.51.51.51.51.51.51*|*技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)*|*鐵道科學(xué)研究院，蘇聯(lián)鐵路車輛計算和設(shè)計規(guī)范及試驗方法和技術(shù)條件Z. 北京：鐵道科學(xué)研究院，

3、19902*|*技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)*|*中華人民共和國鐵道部，TB/T 1335-1996. 鐵道車輛強度設(shè)計及試驗鑒定規(guī)范S.北京：中國標(biāo)準(zhǔn)出版，19963*|*技術(shù)報告*|*鐵道部標(biāo)準(zhǔn)計量研究所，鐵道部四方車輛研究所，長沙鐵道學(xué)院等. 敞車沖擊試驗報告R，1978*|1|焦平|JIAO Ping|中南大學(xué) 軌道交通安全教育部重點實驗室，湖南長沙，410075|Key Laboratory of Traffic Safety on the Track of Ministry of Education, Central South University, Changsha, Hunan, China,

4、410075|焦平（1986-），男，碩士|湖南省長沙市韶山南路22號中南大學(xué)鐵道校區(qū)高速列車研究中心|410075|jpingcsu13507413623|2|魯寨軍|LU Zhaijun|中南大學(xué) 軌道交通安全教育部重點實驗室，湖南長沙，410075|Key Laboratory of Traffic Safety on the Track of Ministry of Education, Central South University, Changsha, Hunan, China, 410075|ljz-zj|沖擊過程中散粒貨物的流態(tài)及其對敞車壓力的研究|

5、The Research on the Pressure of Gondola Car and the Flow Pattern of Granular Cargo in the Process of Impact|（中南大學(xué) 軌道交通安全教育部重點實驗室，湖南長沙，410075）摘要：本文采用顆粒流方法及數(shù)值模擬程序（PFC2D）對裝載散粒貨物的敞車在調(diào)車沖擊過程中端墻壓力及散粒貨物的流態(tài)進行模擬研究，并與實車試驗進行對比分析，從而證明采用顆粒流方法模擬車輛在調(diào)車沖擊過程中的行為是可行的，并得到了一些相關(guān)結(jié)論。關(guān)鍵詞：顆粒流；敞車；調(diào)車沖擊；流態(tài)中圖分類號：U272.2 The Resear

6、ch on the Pressure of Gondola Car and the Flow Pattern of Granular Cargo in the Process of ImpactJIAO Ping, LU Zhaijun(Key Laboratory of Traffic Safety on the Track of Ministry of Education, Central South University, Changsha, Hunan, China, 410075)Abstract: The PFC method is used to simulate the pre

7、ssure of railway gondola car and the flow pattern of granular cargo in the process of impact. It is proved that the PFC method is feasible by comparing the simulative result with the real lab test, and some related conclusions are given out.Key words: PFC; gondola car;scheduling impact;flow pattern0

8、 引言目前，鐵路敞車是我國既有線路上運送煤炭、礦石、木材、鋼材等貨物的主要運輸設(shè)備之一。當(dāng)敞車運輸?shù)呢浳餅轭w粒體，即沙礫、小麥、煤炭、水泥等其他粒狀和粉狀的貨物時，由于調(diào)車沖擊、軌道不平順等原因，顆粒貨物會對敞車端墻產(chǎn)生不同程度的沖擊影響。而一般情況下，由于顆粒貨物對車體作用的力學(xué)機理復(fù)雜，所以研究人員通常將顆粒集合按集中質(zhì)量來處理，其合理性有待商榷。前蘇聯(lián)科研人員采用1987年修訂的蘇聯(lián)鐵路車輛計算和涉及規(guī)范及試驗方法和技術(shù)條件1，將敞車端墻所受壓力視為三角形線性分布，以兩倍的被動庫倫壓力作用于端墻，來校核墻體強度。我國科研人員則按照TB/T 1335-1996鐵道車輛強度設(shè)計及試驗鑒定規(guī)范

9、2，來計算敞車端墻壓力。但是，隨著近些年來鐵路運行大提速，按照這些規(guī)范計算出的結(jié)果無法達到理想的效果。基于此，本文采用離散單元法思想，對顆粒體在調(diào)車沖擊中對敞車端墻的動靜壓力問題進行了模擬并對顆粒的運動狀態(tài)進行研究。1 顆粒流基本理論PFC2D（顆粒流）是一種基于離散單元方法建立的二維顆粒模擬程序。它主要通過重復(fù)應(yīng)用牛頓運動定律以及力位移定律來不斷確定顆粒、墻體的位置、受力、速度等參量。在循環(huán)過程中，不斷迭代直到所有顆粒受到的不平衡力為零為止。用PFC進行模擬，首先應(yīng)考慮的核心問題是接觸模型的選取。在PFC中，接觸模型可分為接觸剛度模型、滑動模型、粘結(jié)模型。不同的模型具有不同的特點。接觸剛度模

10、型描述了法向和切向方向接觸力和相對位移之間的關(guān)系，分為線性接觸模型和HertzMindlin 接觸模型兩種?；瑒幽Ｐ蛢H允許顆粒在抗剪強度范圍內(nèi)發(fā)生滑動。粘結(jié)模型可分為接觸粘結(jié)模型和平行粘結(jié)模型。接觸粘結(jié)模型可采用兩個作用在接觸點上具有法向和切向常剛度的彈簧來表示，而平行粘結(jié)采用一組作用在接觸面上具有法向和切向常剛度的彈簧表示。本文選取了線性接觸剛度模型進行模擬，現(xiàn)做簡要介紹。線性接觸模型是通過兩個接觸主體（顆粒-顆粒接觸、顆粒-墻體接觸）之間的法向剛度 和剪切剛度來定義的，并假設(shè)兩個接觸實體的接觸剛度是串聯(lián)的，以此來計算聯(lián)合剛度。其中法向剛度為： （1）剪切剛度為: (2)式中：A、B表示形成

11、接觸的兩實體。2 顆粒流模型的建立2.1 靜態(tài)階段1978年，鐵道部組織相關(guān)單位進行了C62型敞車散體貨物沖擊試驗，所采用的C62型敞車內(nèi)部尺寸為長12.5 m、寬2.0m、高1.9m，裝載物為水洗煤。試驗中，用厚7mm鋼板焊成9組測力梁，編號為1021到1029，然后從車體地板開始，均勻分布，橫向固定在端墻內(nèi)側(cè)，從而測量端墻的動壓力，示意圖如圖1。為了與真實的試驗結(jié)果進行對比，本文建立與實車幾何尺寸基本一致的PFC模型進行模擬。不同之處在于，第一為了防止顆粒在沖擊中從端墻溢出，本文將端墻高度增加到2.1m，比實車高0.2m；第二為了得到更精細的端墻壓力分布，本文中將端墻按0.105m長度分段

12、，分20段，但在后文數(shù)據(jù)處理時，將每兩段墻體為一組計算，即每段寬0.21m，這與實車試驗測力梁寬度一致；地板按0.5m長度分段，分25段，并對不同墻段編號。左側(cè)端墻命名為A墻，編號為1至20；右側(cè)端墻命名為B墻，編號為46至66號；地板命名為C墻，編號為21至45（后文以A、B、C表示），如圖2所示。圖1 實車試驗測點分布圖圖2 車體端墻及地板分段示意圖建立車體幾何模型后，需賦予墻體不同的屬性參數(shù)，如表1所示，并通過自定義函數(shù)，使顆粒集合按高斯分布在車體范圍內(nèi)隨機生成，顆粒集合形成后在重力作用下逐步平衡，生成靜止?fàn)顟B(tài)計算模型，如圖3所示。達到靜平衡后，顆粒間接觸壓力如圖4所示。表1 2DPFC

13、模型基本參數(shù)表項目顆粒半徑/m法向剛度Nm-3切向剛度Nm-3摩擦系數(shù)顆粒密度/kgm-3顆粒體墻體0.008-0.0125.05e52e62.5e50.9e60.50.41700圖3 車體裝載顆粒后的靜態(tài)模型圖4 接觸壓力分布圖2.2 動態(tài)階段2.2.1 加速階段加速階段使車體達到減速沖擊的初始狀態(tài)，并非本文考慮重點，簡介如下，流程如圖5所示：DEF函數(shù)L-accINI 加速度a，速度xv、yvLoop n（t）循環(huán)，為車體不同的墻段賦值Command與cycle n 使車體運動調(diào)用函數(shù)L-acc圖5 車體加速運動示意圖這里通過自定義函數(shù)L-acc，控制車體每一段墻體加速細節(jié)。再通過不斷的循

14、環(huán)調(diào)運此函數(shù)，使車體加速至9KM/H，與實車試驗的減速沖擊初始速度一致。2.2.2 減速沖擊階段減速沖擊過程如下：列車加速行駛至9KM/H后，繼續(xù)保持9KM/H速度勻速運行一段時間，這樣處理的目的在于使加速階段受力不平衡顆粒恢復(fù)到平衡狀態(tài)。接著按LS-DYNA中C62型敞車模擬的沖擊速度曲線減速。本文通過MATLAB擬合速度曲線，從而得到車體運行的速度方程，此方程表示為：V=-80.709*t3+97.046*t2-34.415*t+3.0582在PFC中，通過編寫自定義函數(shù)，并以此方程來控制車體運行速度，從而實現(xiàn)在沖擊過程中，對車體速度的全程控制。3 模擬結(jié)果與數(shù)據(jù)處理分析3.1 與實車試驗

15、對比據(jù)敞車沖擊試驗報告附錄3，將試驗端墻壓力數(shù)據(jù)及數(shù)值模擬數(shù)據(jù)匯總?cè)缦拢瑴y點10211029位置如前圖1所示：表 2 實車試驗及數(shù)值模擬壓力值表測測點點項目目102110221023102410251026102710281029試驗（1）02.762.612.973.073.162.982.441.25試驗（2）02.822.762.743.073.132.982.451.26數(shù)值模擬2.8342.6612.5742.9453.0303.1633.1882.7851.72表2為兩次實車試驗及PFC模擬結(jié)果。分析發(fā)現(xiàn)，兩次試驗中測點1026處的端墻壓力均達到最大值，分別為3.16噸及3.13噸

16、，而PFC模擬時的最大值則出現(xiàn)在測點1027處，最大值為3.188噸。若以車體地板為高度基準(zhǔn)，則試驗中壓力最大值出現(xiàn)在端墻0.6m-0.8m高度處，而模擬時壓力最大值則位于0.4-0.6m高度處。圖6為沖擊端墻壓力分布圖，可以看出，PFC模擬的端墻最大壓力趨勢與實車試驗所得到的規(guī)律是相似的。不同在位于端墻0.6m以下的部分，模擬值均略大于試驗值。分析原因：實車試驗中，車內(nèi)所裝載的散粒貨物為幾何形狀不規(guī)則的水洗煤，煤炭顆粒之間存在一定的粘結(jié)作用；而PFC所模擬的顆粒為標(biāo)準(zhǔn)的圓盤形顆粒，顆粒與顆粒之間除摩擦外，并不存在特定的粘結(jié)作用。因此在沖擊階段，實車試驗因顆粒間的粘結(jié)作用耗散了部分沖擊能量，從

17、而使顆粒貨物對端墻的壓力比PFC模擬值相對較小。對于壓力最大值，PFC模擬為3.188t，試驗分別為3.16t及3.13t，相對誤差分別為0.89%和1.85%，均小于5%，故模擬結(jié)果可信。圖6 沖擊端墻壓力分布圖3.2 速度場分析圖7（a）為沖擊過程中，顆粒物料的總體速度場分布圖。顯然，顆粒由于慣性作用已整體向前進方向滑動。圖7（b）、（c）分別為左側(cè)A墻及右側(cè)B墻局部放大圖?？砂l(fā)現(xiàn)，顆粒已脫離A墻，留下空隙，位于上部的顆粒則在重力作用下，向下滑落；而B墻處，顆粒具有整體向上運動的趨勢，并在頂部形成堆積。圖7（d）、（e）分別為車體底層及上層局部放大圖。觀察圖7（d）發(fā)現(xiàn)，靠近地板處顆粒出現(xiàn)

18、了微小漩渦，還出現(xiàn)與車體運動方向相反的平穩(wěn)回流現(xiàn)象。不僅如此，形成漩渦處的顆粒還出現(xiàn)了動態(tài)結(jié)拱，但隨著時間的推移，結(jié)拱會在其他顆粒的撞擊和壓力作用下破拱。圖7（e）則反映出車內(nèi)上層顆粒出現(xiàn)漩渦、平穩(wěn)流動、向下沉降等雜亂無章的運動現(xiàn)象。由此可見，在沖擊過程中，車體內(nèi)顆粒的速度場存在多種復(fù)合流動現(xiàn)象，即存在層流、渦流、回流或多種流態(tài)相混合，而且還出現(xiàn)動態(tài)結(jié)拱和破拱現(xiàn)象；在不同時刻，某一位置并不會始終保持一種或幾種流動狀態(tài)，且流動狀態(tài)會隨著沖擊過程的演進而不斷變化。（a） （b） （c） （d） （e）圖7 顆粒速度場4 結(jié)論本文對C62型敞車的調(diào)車沖擊過程進行了PFC數(shù)值模擬，得到如下一些主要結(jié)論：（1）使用PFC模擬列車調(diào)車沖擊過程，得到的端墻壓力分布規(guī)律與實車試驗規(guī)律基本一致，并且模擬值與試驗結(jié)果的相對誤差在5%以內(nèi)，說明用PFC模擬車輛沖擊工況是可行的，并且模擬時選取的參數(shù)也是合理的；（2）由于顆粒在一定半徑范圍內(nèi)隨機分布（0.81.2mm），從而使顆粒速度場呈現(xiàn)出非連續(xù)和非均勻性，并且在整個減速過程中，所有顆粒的速度大小和方向都在不斷變化。（3）沖擊過程中，車體內(nèi)不同位置顆粒不僅存在層流、渦流和回流現(xiàn)象，有的位置還存在多種流態(tài)共存的情況。（4）沖擊過程的不同時刻，車體內(nèi)顆粒存在結(jié)拱現(xiàn)象，而結(jié)拱受到周圍顆粒的撞擊等作用時，可能發(fā)生破拱，因此