捣固炼焦可以在原料中配入较多弱黏性煤并获得高质量焦炭,在炼焦资源日益紧张的今天有着广阔的前景。捣固炼焦的核心是将煤粉压实成煤饼的捣固工况。然而由于煤饼捣固过程研究的不足,致使当前捣固各相关设备的设计欠缺理论支撑,仍以经验类比为主,是制约行业发展的瓶颈。当前捣固过程计算采用的离散介质法不能适应实际煤饼颗粒规模,无法为工程设计提供足够依据；而若采用连续介质法计算,又难以找到适用于煤饼捣固过程工程计算的本构关系模型。针对这一情况,课题围绕煤饼捣固过程的数值计算问题,采用有限元法,通过建立合适的本构模型、现场实验与分析、探寻计算方法等研究,实现了煤饼捣固过程的定量描述,使改进捣固相关设备的设计成为可能;并以之为基础为相关设备的工程设计、分析和改进提供理论支撑,为捣固炼焦的进一步发展奠定了基础。课题主要研究工作如下：(1)建立了用于捣固煤饼过程计算的本构关系模型。该模型以土力学中弹性非线性Duncan-Chang本构模型为基础进行修正,在保留其工程易用性的同时,通过融入粘弹性力学中的Kelvin和Maxwell模型的结构使其具备了材料阻尼等动力性质,从而为采用有限元法计算煤饼捣固过程奠定了理论基础。其间推导了新建模型在三维空间下的偏微分方程组并求解了其应力增量数值解。还给出了一种通过从初时刻开始进行应力状态向量累积的方法用以解决Duncan元件初应力分配问题。(2)设计实施了一系列测试,为数值计算提供了数据准备和验证参考。首先通过预实验获取必要参数,随后采用单位力法对装煤车整体结构进行了初步分析,结合预实验拟定了测点和测试方案。测试获取了捣固过程中煤槽侧壁、底板压力和装煤车结构关键部位应力,并通过三轴试验测试得到了煤饼参数,为捣固过程数值计算和结果的验证奠定了数据基础。同时测试数据本身也填补了该领域的空白,其分析处理结果也可为设计提供指导。在测试中还设计了一套用于深窄槽散料或土体的侧压测试的支护装置。(3)应用课题提出的修正Duncan-Chang模型,实现了捣固过程的数值计算。将捣固过程数值计算分为单次冲击计算和连续冲击计算,分别对其各自的计算理论和计算方法进行了探索。其中,单次冲击计算以考察捣固过程煤饼应力分布和变化情况为目的,连续冲击计算以考察煤饼捣固压实成型过程为目的。其间对课题建立的修正Duncan-Chang模型进行了验证,讨论了它的参数取值和通用性；此外还采用以密度为基准线性反演的方法解决了连续冲击过程中由煤饼物态变化过快产生的问题。这些研究实现了煤饼捣固过程的定量描述,使改进相关设备的设计成为可能。(4)将研究应用于工程,为捣固工况相关设备的设计提供了理论和方法支撑。首先直接应用数值计算,通过引入正交实验的方法,对捣固工艺参数进行了优选,拓宽了捣固设备的设计思路。其次,通过数值计算和煤槽压力分析,以载荷分解的方法得出了适应工程应用的简化设计载荷。其中载荷公式的参数可以通过数值计算求出,以使其对于不同设备具有适应性,为装煤车结提供了直接设计依据。最后应用简化设计载荷对当前装煤车结构进行了改进,在结构重量显著降低并节约了成本的同时提高了侧壁刚度,使结构更为合理,改进已应用于实际产品。