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。

本案例为STAR CCM+2021.3随机案例，案例初始输入文件下载：

链接：https://pan.baidu.com/s/1E5rvUSPqjX92HUqrKe2X9A 提取码：55gt

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