1、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1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
2、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
3、，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：2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
4、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/s 2，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 材料参数参数 型腔 砂箱 干砂颗粒泊松比 0.24 0.25 0.25剪切模量/（x108
5、Pa） 2.2 2.2 700密度/（kgm -3） 2650 2650 7800表 3 接触参数参数 颗粒-型腔 颗粒-颗粒静摩擦系数 0.08 0.3滚动摩擦系数 0.3 0.05恢复系数 0.1 0.15（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
6、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.3减速机箱体因素水平表减速机箱体正交试验表试验号 A B C 空列 颗粒数目（个）1 1 1 1 12 1 2 2 23 1 3 3 34 2 1 2 35 2 2 3 16 2 3 1 27 3 1 3 28 3 2 1 39 3 3 2 1K1K2K3K1K2K3极差 R因素排序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4方案。
