掘进机截割头破岩过程数值模拟技术研究

论文摘要

截割头作为掘进机的直接破岩工作机构,其上的工作载荷是非线性的。为揭示破岩过程中截割头的动态响应,文章在深入研究截齿截割机理和有限元理论的基础上,提出了LS-DYNA软件在截割头破岩过程模拟中的应用策略,建立了截割头破岩模拟的有限元模型,实现了截割头破岩过程的数值模拟,获得了截割头工作时的动态载荷,分析了截齿在破岩过程中的可靠性、载荷特性和截割速度对截齿载荷的影响。对截割头破岩过程的数值模拟,对于指导掘进机截割头乃至整机设计具有重大应用价值。文章研究了掘进机截割头破岩过程数值模拟的关键技术问题,使得应用数值模拟技术来模拟截割头的破岩过程成为可能,为广泛应用该技术提供了一定的指导和借鉴意义。文章解决了截割头有限元的全映射网格构建问题,运用空间变换的方法,实现了截齿在截割头上的准确定位,运用共节点法及向刚体附加节点法实现了合金头柔性体和齿体柔性体,截齿柔性体和截割头刚体有效地连接,使得分析柔性截齿的动态响应成为可能。

论文目录

• 致谢
• 摘要
• Abstract
• 1 绪论
• 1.1 截齿破岩机理研究的国内外现状
• 1.2 截割头破岩模拟研究的国内外现状
• 1.2.1 数值模拟技术的产生和发展
• 1.2.2 截齿破碎岩石过程中数值模拟技术的应用
• 1.2.3 截割头类似机构切削过程中数值模拟技术的应用
• 1.3 论文的研究内容
• 1.4 课题研究的目的和意义
• 2 截割头和岩石相关特性分析
• 2.1 截割头的结构分析
• 2.1.1 头体及叶片结构分析
• 2.1.2 截齿和齿座的结构分析
• 2.2 截割头的运动学分析
• 2.2.1 截割头横摆工况
• 2.2.2 截割头钻进工况
• 2.3 岩石的基本物理力学性质
• 2.3.1 岩体的构造
• 2.3.2 岩石机械性质
• 2.3.3 岩石力学的特点
• 2.4 本章小结
• 3 截割头破岩过程数值模拟的理论基础
• 3.1 LS-DYNA 简介
• 3.1.1 LS-DYNA 动力分析功能
• 3.1.2 LS-DYNA 的一般分析过程
• 3.2 弹性动力学理论及数值求解方法
• 3.2.1 弹性动力学问题的基本控制方程
• 3.2.2 基本方程的数值离散
• 3.2.3 显式时间积分法
• 3.3 接触非线性的数值计算方法
• 3.3.1 接触算法简介
• 3.3.2 罚函数法的有限元实现
• 3.4 材料非线性的理论
• 3.4.1 岩石材料本构模型的选取
• 3.4.2 连续表面帽盖模型的屈服准则
• 3.4.3 连续表面帽盖模型的硬化准则
• 3.4.4 连续表面帽盖模型的流动准则
• 3.4.5 连续表面帽盖模型的破坏准则
• 3.4.6 岩石材料基本性质参数的获取
• 3.5 本章小结
• 4 截割头破岩过程数值模拟的实现过程
• 4.1 有限元模型的建立
• 4.1.1 单元类型的选择
• 4.1.2 材料的定义
• 4.1.3 三维实体模型的建立和网格剖分
• 4.2 定义边界条件及约束
• 4.2.1 施加截割头与岩石的约束
• 4.2.2 施加截齿与岩石之间的接触
• 4.2.3 施加截割头的驱动
• 4.3 求解与求解控制
• 4.3.1 求解控制
• 4.3.2 求解中常见错误原因及对策
• 4.4 本章小结
• 5 模拟结果分析及讨论
• 5.1 截割头破岩过程中的动态响应
• 5.1.1 截割头横摆工作时的动态响应
• 5.1.2 截割头钻进工作时的动态响应
• 5.2 单个截齿破岩过程中的动态响应
• 5.2.1 截齿的可靠性分析
• 5.2.2 截齿载荷特性分析
• 5.2.3 截齿截割速度对截齿载荷的影响
• 5.3 本章小结
• 6 结论与展望
• 6.1 结论
• 6.2 展望
• 参考文献
• 作者简历
• 学位论文数据集