STAR CCM+ 挖掘机案例分享

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

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  • 计算模型如下图所示

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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


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  • 如下图所示设置参数

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

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  • 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


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  • 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

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  • 选择以下物理模型
    • Meshfree DEM
    • Gravity

模型选择完毕后如下图所示。

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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

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

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  • 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

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

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  • 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

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

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

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  • 双击Rock节点,弹出材料设置面板,如下图所示设置

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  • 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

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

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  • 设置Particle-Wall的Hertz Mindlin参数

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  • 设置Particle-Wall的Rolling Resistance参数

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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

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  • 创建场变量Bucket Vy

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  • 创建场变量Bucket Vz

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  • 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

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

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

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

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

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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

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  • 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

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新创建的几何模型如下图所示。

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  • 右键选择模型树节点Injectors,点击弹出菜单项New创建入射器

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  • 选中节点Injector 1,如下图所示设置参数

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  • 双击节点Injector 1,弹出的面板中进行如下图所示设置

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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

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  • 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

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

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

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

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  • 选中节点Surface 1 > Parts,如下图所示指定Parts

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8 进行计算

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

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

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

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  • 选中选项Maximum Steps,取消激活选项Enabled

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  • 点击菜单Solution → Run进行计算

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9 计算结果

计算结果如下图所示。

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