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26500字硕士毕业论文刀具冲击破岩过程的数值模拟

论文类型:硕士毕业论文
论文字数:26500字
论点:节理,岩石,破碎
论文概述:

本文在基于细观损伤力学和动力有限元的基础上,通过运用统计数学中的weibull分布描述岩石材料的非均匀性,并引入粘弹性边界模拟了岩体在刀具冲击作用下的损伤破坏全过程。

论文正文:

1导言

1.1引言近年来,随着社会发展的需求和科学技术水平的不断提高,地下活动空间及各类资源开发和利用已然成为人类重点关注的领域之一。随着各类挖掘机广泛应用于矿山开采、隧道开挖、油气井钻进等实际工程中,对岩石破碎理论和技术提出了新的挑战。冲击破岩作为机械破岩法中的一种,具有破碎的岩块较大,作业效率较高等优点,被广泛应用于建筑工程、露天采矿和穿凿作业等方面。自上世纪60年代以来,英国、南非、美国等对冲击破碎进行了大量可行性研究,并应用于矿山开采当中。随着冲击式破岩被人们广泛的应用于各类破碎工程之中。破岩机械多釆用凿岩机、潜孔钻机和钢丝绳冲击钻机等(图1.1)。长期以来,人们对冲击破岩的机理和破岩效率进行大量的研究,为提高冲击式破岩效率,我国在围绕冲击式机械与岩石匹配、冲击加载合理波形以及冲击活塞优化等方面做出了许多有益的探索。对于冲击破岩的机理研究,既涉及岩石材料非均匀性、非线性特征,又受制于岩石材料本身的外貌形状和尺度边界因素,既受材料内的部裂隙和结构面影响,又与冲击波传播过程中局部变形即损伤破坏相关。由于实际条件的限制,通过大量的大尺度现场实验来研究破岩机理还存在很多困难。实验室内小尺寸的破岩实验也不能全面的反映岩体内部缺陷对破岩效果的影响。如今,随着计算机硬件水平的不断提升,以及各类数值模拟方法和软件的不断完善,通过数值模拟研究岩石破碎成为可能。数值模拟可以充分考虑岩石非均勾的特性以及复杂的受力条件,具有实验室物理实验和现场实验不可比拟的优势,同时也是物理试验和理论分析的有效延伸。本文运用rfpa2°动态版数值计算分析软件,考虑岩石材料的非均勾性和缺陷分布的随机性,模拟冲击荷载作用下,岩石的损伤破裂过程。进一步探讨了节理存在以及动静联合加载下的岩石破坏形态,期望对冲击破岩机理以及矿山开采、險道开挖等实际工程应用有所帮助。
 1.2岩石破碎研究现状随着科学技术水平的不断发展,在采矿、油气开发、地质勘探等行业的不懈努力下,破岩方法己从传统的机械钻孔法和常规爆破法发展到现在的超声波法、水射流法、射弹冲击法、水电效应法、火花放电法、等离子体法、电子束法(聚焦电子束、脉冲电子束、高能加速器)、激光法、红外线法、热溶法(电能、核能)、高频法、电热核法、微波法及化学破碎法等。在这些破岩方法中,目前占主导地位的仍然是爆破法和机械破岩法。这两类方法比例占90%以上。
 1.2.1岩石破碎理论从岩石的破碎理论角度看,固体的破碎理论一般分为物理和力学两个方面,前者研宄的是固体破碎的物理实质,而后者研宄的则是破碎的力学特征。在晶体破碎理论方面,至今还没有一个令人信服完善的理论解释。但是,早在1981年,Kumano便对粗粒状岩石在冲击作用下进行物理试验,观察了岩石裂纹扩展的全过程,并运用扫描型电子显微镜,对比冲击前后岩体的晶体照片,总结了穿粒扩展,绕粒扩展等裂缝扩展的基本模式(图1.2)。力学强度理论则发展的很迅速,运用较广的有弹性力学理论,断裂力学理论和损伤力学理论等。然而这些理论均存在他们各自的不足之处,弹性力学理论将岩体视为均质材料,忽略了岩体内部本身就存在的缺陷构造,断裂力学理论虽然把岩体视为内部含有裂隙的脆性材料,但是在其余区域仍然当做均质材料来处理,而损伤力学理论则是在断裂力学理论上的一个完善和发展,虽然仍然存在一定的问题,但是在岩体破碎领域中依然被广泛的接受和运用。在破碎理论研究之中,针对揭示能量消耗与岩体粉碎形态之间的内在联系,主要有三大粉碎耗功学说:雷廷格尔(Rittinger)的“面积说”、吉尔皮切夫与基克(Kick)的“体积说”和庞德(Bond)的“裂缝说”。“面积说”认为粉碎能耗与粉碎时新生的表面积成正比。“体积说”认为即使几何相似的同种物料,粉碎成形状相同的产品,所需的功与它们体积或质量和正比,该理论适用于数十微米到数微米粒度范围的粗碎过程。“裂缝说”认为破碎物料所耗的能量与物料的直径或边长的平方根成反比以上三大粉碎学说大力推动了破碎技术的发展,三者各有各的使用范围,但均存在一定的片面性。
 2动力有限元模型简介
 2. 1动力有限元求解方法根据Hamilton变分原理,利用有限元法进行空间离散处理之后,动力方程具有以下形式:Mii + Cu + Ku=Q (2.1)其中i;,U, M分别代表Z时刻的位移,速度和加速度向量。M, C分别为系统的刚度矩阵,质量矩阵和阻尼矩阵。在时间域内,求解方程2.1的方法有很多,在此介绍最简单也是最常用的两种隐式枳分法,分别为Ncwmavk法和lVils:on法。在这两种方法中,枳分在一个时间间隔At上进行,而且依据递推关系,上一个时刻的位移值及其偏导数可用于确定下?时刻的位。而且这两种方法都可以保持方程求解的无条件稳定。
 3节理岩体在刀具冲击作用下的破坏过程...........213.1模型简介...........223.2无节理岩体的破坏过程...........233.3节理对应力波的削弱作用...........253.4水平节理对岩体破坏过程的影响...........273.5不同节理间距对岩体破坏过程的影响...........303.6倾斜节理对岩体破坏过程的影响...........313.7 小结...........344刀具动静组合作用下岩石破碎数值分析...........354.1模型简介...........364.2不同应力组合对岩体的受力影响...........374.3不同加载方式下耑体的破坏形式...........394.4无围压条件下不同应力组介对岩体破坏形式的影响...........424.5围压条件下不同应力组合对岩体破坏形式的影响...........444.6 小结...........47
 结 论
 本文在基于细观损伤力学和动力有限元的基础上,通过运用统计数学中的weibull分布描述岩石材料的非均匀性,并引入粘弹性边界模拟了岩体在刀具冲击作用下的损伤破坏全过程。具体的工作可以总结如下:1.从求解有限元大型稀疏对称矩阵着手,对比测试了两种不同求解方法的求解效率及相应的内存消耗。并针对普通SSOR-PCG法由于需要组装总体刚度矩阵而导致消耗系统内存量较大这一现象,改善了传统的KV存储方式,极大的节省了求解过程中系统内存幵销。并通过OpenMP共享内存编程模型技术,将并行策略引入有限元计算当中,实现单机平台下的多核多线程计算,进一步提高了求解效率。2.节理岩体在刀具动态作用下的破坏过程的研宄还很少见,本文建立了几种节理岩体数值模型,分析了其在刀具冲击作用下的破坏形式,得出了以下几个结论:在无节理岩体中,高应力区集中在岩体与刀头接触的两侧,该处在荷载作用下逐步损伤形成两道向下延伸的主裂纹。随着应力波在传递过程中能量的不断耗散,主裂纹扩展速度减慢,裂纹尖端相互汇合,最终停止向下部扩展。水平节理的存在改变了应力波的传播模式。一方面,节理面反射的应力波加剧了节理面上部岩体的破坏程度;另一方面,节理面的破坏吸收了应力波能量,阻碍了应力波向下的传播,减弱了下部岩体的破坏。不同的节理间距对破岩效果具有很大的影响。节理间距越大的岩体,应力波传递到节理面的过程中消耗的能量越多,导致节理面破坏后反射的拉应力波能量值降低,节理面处岩体的拉破坏区域减小。同时,节理间距越小的岩体形成的主裂纹宏观更加明显。当节理间距不断增大,节理面对岩体破坏形式的影响逐渐减弱,最后可视为无节理情况。倾斜节理的存在改变了裂纹扩展的规律,裂纹呈现不对称性扩展,节理面反射造成拉破坏现象依然存在。节理存在限制了主裂纹向下扩展的空间,节理倾角越小,对主裂纹的萌生与扩展起到的阻碍作用越明显。节理倾角为45°情况下,岩体声发射总次数与能量值达到最高,取得了最佳的破岩效果。
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