STAR CCM 案例｜挖掘机

本案例演示利用STAR CCM 中的DEM模型仿真挖掘机物料挖掘过程。

对于不受周围流体显著影响的颗粒的DEM模拟，STAR-CCM 允许在无需体网格的情况下对颗粒运动行为进行模拟。

本教程将模拟挖掘机铲斗从浅坑中铲起小球的过程。这些球体在被挖掘机铲起之前被注入坑中。在案例中，坑内和坑上方的空气不需要体网格。相反可以将区域边界指定给颗粒区域，从而允许STAR-CCM 在不需要任何流体力的情况下求解DEM颗粒的物理问题。

1 导入文件

• 启动STAR CCM
• 利用菜单File → Load… 加载仿真文件excavator_start.sim

• 计算模型如下图所示

2 指定颗粒及固体区域

• 选择模型树节点Bucket及Domain，点击右键并选择菜单项Assign Parts to Regions… 打开区域分配对话框

• 如下图所示设置参数

• 选择模型树节点Regions > Domain，设置其Type为Particle Region

• 相同方式设置Bucket的类型为Solid Region

3 选择物理模型

• 右键选择模型树节点Continua，点击弹出菜单项New → Physics Continuum创建新节点Physics 1

• 右键选择模型树节点Physics 1，点击弹出菜单项Select Models… 打开模型选择对话框

• 选择以下物理模型
• Meshfree DEM
• Gravity

模型选择完毕后如下图所示。

4 设置颗粒相互作用

• 在Model Selection对话框中，右键选择节点Lagrangian Phases，点击弹出菜单项New创建颗粒，命名新节点为Particle

• 选中节点Particle，选择选项DEM Particles、Spherical Particles、Solid，如下图所示

• 右键选择节点Phase Interactions，点击弹出菜单项New → Particle → Particle创建颗粒-颗粒相互作用，命名新节点为Particles-Particles

• 选中节点Particles-Particles，右侧面板中选择选项Hertz Mindlin，如下图所示

• 右键选择节点Phase Interactions，点击弹出菜单项New → Particle → Wall创建颗粒-壁面相互作用，命名新节点为Particles-Wall

• 选中节点Particles-Wall，右侧面板中选择选项Hertz Mindlin，如下图所示

• 将节点Continua > Physics 1 > Models > Lagrangian Multiphase > Lagrangian Phases > Particles > Models > Solid > Rubber名称修改为Rock

• 双击Rock节点，弹出材料设置面板，如下图所示设置

• 选中节点Physics 1 > Models > Multiphase Interaction > Phase Interactions > Particles-Particles > Models > Hertz Mindlin，如下图所示指定参数

• 双击模型树节点Rolling Resistance，如下图所示设置参数

• 设置Particle-Wall的Hertz Mindlin参数

• 设置Particle-Wall的Rolling Resistance参数

5 描述铲斗运动

将挖掘机铲子的运动指定为X-Y平面中的平移运动与绕X轴的旋转运动的叠加。

平移运动指定为：

以及

因此可以进行以下设置。

• 创建场边量Bucket Rotation

• 创建场变量Bucket Vy

• 创建场变量Bucket Vz

• 右键选择模型树节点Tools > Motions ，点击弹出菜单项 New > Translation，修改新建的节点名为Bucket Motion

• 选中节点Bucket Motion，指定Translation Velocity为[0.0, ${bucketVy}, ${bucketVz}]

• 右键选择模型树节点Superposing Motions，点击弹出菜单项New → Rotation

• 双击模型树节点Superposing Motions，如下图所示设置参数

• 选中模型树节点Regions > Bucket > Physics Values > Motion Specification，如下图所示设置参数Motion

6 注入颗粒

• 右键选择模型树节点Geometry > Parts，选择弹出菜单项New Shape Part > Block

• 如下图所示审核中几何参数，点击Create创建几何，并命名几何节点为Injection Volume

新创建的几何模型如下图所示。

• 右键选择模型树节点Injectors，点击弹出菜单项New创建入射器

• 选中节点Injector 1，如下图所示设置参数

• 双击节点Injector 1，弹出的面板中进行如下图所示设置

7 显示颗粒

• 鼠标右键选择模型树节点Scenes > Particles ，点击弹出菜单项Open

• 选中模型树节点Scenes > Particles > Outline 1 > Parts并设置Parts为Regions > Bucket > Boundaries、 Regions > Domain > Boundaries
• 选中模型树节点

• 选中节点Scalar 1 > Parts，指定Parts为Particle

• 选中选项Scalar 1 > Scalar Field，指定Function为Particle Velocity:Magnitude

• 右键选择节点Particles，点击弹出菜单项New Displayer → Surface

• 选中节点Surface 1 > Parts，如下图所示指定Parts

8 进行计算

• 选中模型树节点Implicit Unsteady，设置Time-Step为0.01 s

• 选中模型树节点Stopping Criteria > Maximum Inner Iterations，激活选项Enabled

• 选中模型树节点Stopping Criteria > Maximum Physical Time，指定参数Maximum Physical Time为7.0 s

• 选中选项Maximum Steps，取消激活选项Enabled

• 点击菜单Solution → Run进行计算

9 计算结果

计算结果如下图所示。

（完）