沙漏模拟技巧与实现方法

利用Particle generator生成砂粒。利用DEM模拟颗粒相互作用。

1）如图1，利用旋转，生成一个三维面（Part-1，瓶身），将瓶身内表面建立面in，注意选择正确的法向方向。

图1

2）创建一个三维的平面（part-2），该面作为颗粒生成器的inlet面，建立面flow，注意法向向下。

3）Property模块中创建一个弹性材料（图2），本例中尺寸单位为mm。创建section为shell，并分配给相应区域。

图2

4）对Part-2，创建截面属性为surface，不需定义材料（图3）。

图3

5）进入Assembly模块，将部件就位，注意将part-1进行选择，将Part-2放到离瓶底一定高度（数值随意）。

图4

6）进入step模块，创建3个分析步，1个用来生成砂粒，1个用来旋转瓶身，1个用来稳定。

7）为了实现瓶身的旋转，定义瓶身的参考点。在interaction模块中，执行tools-reference point，输入坐标（0,0,0瓶身中心点）。按图5创建刚体约束。

图5

8）进入Load模块，对参考点设置速度边界条件。第一步6个方向均为0，第二步绕y轴旋转角速度，第三步速度归0。非零的角速度通过幅值曲线施加，类型采用smooth step。（图6）。顺便建立massflow和totalflow幅值曲线，分别是颗粒生成的质量速率和速度率。（图7）

图6

图7

9）进入Mesh模块，对Part-1采用Explicit的S4R单元进行划分，Part-2采用表面单元SFM3D4R进行划分。

10）修改inp文件

为了达到分析目的，需要修改inp，其主要包括两部分，一是颗粒生成的速度，颗粒的大小等等；另一个是定义生成的颗粒之间的相互作用以及与瓶身的接触。请特别注意相关语句所属的层次，具体含义可以在keyword帮助文档中找到（图8）。

图8

具体如下：

1）执行model-edit keywords，找到Part-2的相关语句。

Particle generator的定义在Part层次中编写。

*Particle Generator, name=sand, Type=PD3D,MaximumNumberofParticles=2000

（允许生成的最多颗粒，2000大概算了1个小时）

*Particle Generator inlet, surface=flow（指定生成面，abaqus生成颗粒像下雨一样，从该面沿法向下落）

*particle generator mixture

sand（生成的粒子放到单元sand集合中）

**

*discrete section, elset=sand, shape=sphere,density=2.7e-9, alpha=1.0

PDF1,（定义离散元的截面属性，pdf1是指定的颗粒分布曲线）

*discrete elasticity

2.5e3,0.3（颗粒弹性模量，泊松比）

**

*probability Density function, name=PDF1,TYPE=discrete

2, 1.0（全为半径2mm的颗粒，可以输入级配曲线，或分布函数）

*surface,type=element,name=sand

sand（将dem颗粒单元集合sand的面建立一个面，个人习惯取单元集合一样的名字）

2）找到step-1的定义语句，在之前插入定义接触的相关语句

*surface interaction, name=P（颗粒与瓶）

*friction（摩擦）

0.0

*surface behavior, pressure-overclosure=linear（法向）

2

*surface interaction, name=P-Hertz（颗粒与颗粒）

*friction

0.3

*surface behavior, pressure-overclosure=Hertz

10

在step-1的语句块之内插入

*particle generator flow, generator=part-2-1.sand（开始生成颗粒）

totalflow, MassFlow（之前定义的幅值曲线，一个控制产生的速度，一个控制颗粒的初始速度，如果初始速度过小，会占据相当的空间，阻碍了颗粒的生成，具体参见帮助文档）

*dload

part-2-1.sand,grav,9800,0,0,-1（生成的dem收到重力作用）

*contact（定义接触）

*contact inclusions（哪些面相互接触）

part-2-1.sand,part-2-1.sand

part-1-1.in,part-2-1.sand

*contact property assignment（对应的接触面特性）

part-2-1.sand,part-2-1.sand,P-Hertz

part-1-1.in,part-2-1.sand,P

（11）提交计算后处理。利用view-overlay plot功能得到效果如图9。

图9

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