基于LS-DYNA的截齒破巖鉆削力仿真研究

梅琦，王杰，羅慶怡，李何鈺秋，董杰

[摘? ? 要]為研究旋挖鉆進(jìn)過程中鉆削參數(shù)對鉆削軸向力的影響，利用有限元分析軟件LS-DYNA對單個截齒鉆削巖石的過程進(jìn)行仿真模擬。采用單因素試驗方法，以主軸轉(zhuǎn)速與進(jìn)給速度為設(shè)計變量，得到鉆削軸向力與主軸轉(zhuǎn)速、進(jìn)給速度的變化曲線。結(jié)果表明：軸向力隨主軸轉(zhuǎn)速的增大而減小，隨進(jìn)給速度的增大而增大。研究結(jié)果可為旋挖鉆頭截齒的分布和實際鉆削破巖時選擇合理的鉆削參數(shù)提供一定的依據(jù)。

[關(guān)鍵詞]截齒;LS-DYNA;破巖仿真;鉆削軸向力

[中圖分類號]TG54 [文獻(xiàn)標(biāo)志碼]A [文章編號]2095–6487（2022）02–00–03

Simulation Research on Rock Breaking Drilling Force of Pick Based on LS-DYNA

Mei Qi，Wang Jie，Luo Qing-yi，Li Heyu-qiu，Dong Jie

[Abstract]In order to study the influence of drilling parameters on the drilling axial force in the process of rotary drilling， the process of drilling rock with a single pick is simulated by using the finite element analysis software LS-DYNA. Using the single factor test method and taking the spindle speed and feed speed as the design variables， the variation curves of drilling axial force， spindle speed and feed speed are obtained. The results show that the axial force decreases with the increase of spindle speed and increases with the increase of feed speed. The research results can provide a certain basis for the distribution of rotary bit pick and the selection of reasonable drilling parameters in actual rock breaking drilling.

[Keywords]pick; LS-DYNA; rock breaking simulation; drilling axial force

隨著經(jīng)濟(jì)的發(fā)展，各類高壓輸電線路工程的需求日益增大，而基礎(chǔ)性建設(shè)是輸電線路工程的根基。樁基礎(chǔ)因具有承載力高、抗傾覆能力與抗拔抗壓能力強(qiáng)、適用條件廣泛等優(yōu)點成為現(xiàn)階段使用最廣泛的基礎(chǔ)形式之一。實際鉆孔灌注樁常采用旋挖鉆機(jī)，一個旋挖鉆機(jī)的鉆頭有許多截齒，破巖時由鉆頭帶動各個截齒進(jìn)行切削，而現(xiàn)有的關(guān)于旋挖破巖的研究較少。馮杰等[1]利用有限元分析軟件ABAQUS對TC4鈦合金薄壁件鉆削加工過程進(jìn)行動態(tài)仿真，獲得鉆削加工過程中鉆削參數(shù)對鉆削力的影響規(guī)律，但研究對象為鈦合金薄壁件。柳波等[2]基于巖石力學(xué)理論建立了鉆機(jī)筒鉆單齒切削巖石過程的物理模型，應(yīng)用離散元軟件EDEM仿真分析出切削深度和切削速度對單齒切削力的影響規(guī)律，但該文將模型簡化為單齒沿直線對巖石進(jìn)行切削，非鉆削工況。賈學(xué)強(qiáng)等[3]利用動態(tài)分析軟件LS-DYNA模擬得出單個截齒回轉(zhuǎn)鉆進(jìn)巖石時不同侵深條件下的切削力變化情況，但未研究不同主軸轉(zhuǎn)速與進(jìn)給速度條件下的切削力變化情況。劉彪等[4]采用離散元方法模擬PDC齒在不同切削速度、切削角度、切削深度以及圍壓參數(shù)下的切削破巖效果，得出PDC齒受到的切削力及巖石裂紋發(fā)育情況的變化規(guī)律。賀振國等[5]進(jìn)行了單齒切削破碎巖石的仿真研究，得到了切削載荷與切削深之間的量化關(guān)系。研究了黏滑振動發(fā)生的機(jī)理。本文將單個截齒作為研究對象，建立單齒破巖分析模型，利用動態(tài)分析軟件LS-DYNA以數(shù)值模擬的方法，對截齒切削巖石時不同工況條件的受力進(jìn)行分析研究。

1 單齒垂直破巖受力分析

根據(jù)鉆具同巖石的作用方式和碎巖機(jī)理，所有機(jī)械破巖工具可以分為：切削-剪切型、鑿碎型、鑿碎-剪切型三大類。

鉆頭受到動力源提供的扭矩與進(jìn)給力，剪切巖石同時受到反作用力。可以將反作用力分解為軸向力、側(cè)向力以及切向力。直接與巖石作用的是鉆頭的齒，因此研究破巖機(jī)理應(yīng)從單齒破碎巖石的過程分析入手。

切削–剪切型工具同巖石作用的方式如圖1所示。切削–剪切型破巖過程分為侵入破巖和切削破巖兩個過程，以軸向和切向載荷作用于巖石上。

本模型旋挖碎巖過程：旋挖鉆進(jìn)可劃歸為硬質(zhì)合金回轉(zhuǎn)鉆進(jìn)工藝。截齒在鉆進(jìn)時，一方面受到軸壓作用軸向進(jìn)給侵入巖石，另一方面受到扭矩作用進(jìn)行旋轉(zhuǎn)剪切巖石，在軸向力和水平力的協(xié)同作用下，導(dǎo)致巖石被連續(xù)破碎。

2 仿真

對仿真模型做出以下假設(shè)[6]：①截齒的硬度和強(qiáng)度遠(yuǎn)高于巖石，鉆削過程中截齒的磨損與鈍化情況極微小，忽略其變形量，在建立仿真模型時假設(shè)為剛體。②將巖石材料視為無原生裂紋的各向同性材料，忽略其不均質(zhì)性。③在鉆削過程中，失效的巖石單元自動刪除。

3 三維模型的建立

利用Pro/E建立單個截齒與巖石相互作用的有限元模型，巖石的幾何模型尺寸為300 mm×300 mm× 100 mm。

4 定義材料

在切削過程中，由于鉆頭的切削齒硬度遠(yuǎn)大于巖石，故將鉆頭設(shè)置為剛體。選用LS-DYNA材料庫中20號MAT_RIGID材料模型，鉆頭材料參數(shù)見表1所示[7]。

巖石的材料選用LS-DYNA材料庫中111號MAT_JOHNSON_HOLMQUIST_CONCRETE材料模型，巖石材料參數(shù)見表2所示。

5 定義單元屬性

巖石均采用8節(jié)點3D Solid164單元，用缺省的常應(yīng)力單元公式。

6 劃分網(wǎng)格

采用數(shù)值模擬方法時，網(wǎng)格劃分方法的選擇是影響最終計算結(jié)果的重要因素之一，若網(wǎng)格設(shè)置過密，則會使計算時間過長，若網(wǎng)格設(shè)置過疏則會使仿真結(jié)果與實際情況偏離較大，因此本次計算對鉆頭與巖石接觸部分網(wǎng)格進(jìn)行加密處理，其他未接觸部分的網(wǎng)格進(jìn)行稀疏化處理。鉆頭為不規(guī)則模型，采用四面體網(wǎng)格劃分，巖石為規(guī)則模型，采用六面體網(wǎng)格劃分。截齒-巖石模型網(wǎng)格劃分如圖2所示。

7 定義接觸類型和邊界條件

截齒與巖石設(shè)置為面對面的侵徹接觸，即CONTACT_ERODING_SURFACE_ TO_ SURFACE，將巖石的底面與側(cè)面進(jìn)行全自由度約束，限制鉆頭的徑向自由度，釋放其軸向自由度。因為鉆頭鑿巖過程中巖石是一個半無限體，為消除應(yīng)力反射對計算結(jié)果的影響，對巖石的底面與側(cè)面施加無反射邊界條件，即BOUNDARY_NON_REFLECTING。

8 仿真試驗方案

本次仿真采用單因素試驗方法，試驗參數(shù)見表3。

9 結(jié)果與分析

鉆削過程中鉆削力3個方向的分力如圖3所示。由圖3可知，X方向和Y方向的鉆削力變化不大，Z方向的鉆削力即軸向力最能反應(yīng)鉆削過程中力的變化。因此本次仿真結(jié)果選擇鉆削過程中穩(wěn)定狀態(tài)的平均軸向力作為衡量指標(biāo)。

（1）主軸速度對鉆削軸向力的影響。

從圖4分析可知：當(dāng)進(jìn)給速度維持在一個恒定值時，增加其主軸轉(zhuǎn)速的大小，鉆削軸向力不斷減小，這是因為鉆頭繞著鉆桿做圓周運動，增大其主軸轉(zhuǎn)速，每轉(zhuǎn)的切削量隨之減小，導(dǎo)致截齒切削巖屑的厚度減小，因此鉆頭受到材料的抗力載荷也相應(yīng)減小，從而軸向力減小。

（2）進(jìn)給轉(zhuǎn)速對鉆削軸向力的影響

從圖5可知：當(dāng)主軸轉(zhuǎn)速維持在一個恒定值時，增加其進(jìn)給速度，鉆削軸向力不斷增大，這是因為鉆頭不僅繞著鉆桿做圓周運動，同時也沿著鉆桿方向垂直進(jìn)給，鉆桿壁與鉆頭端部受到軸向和橫向的滑動摩擦阻力，增加其進(jìn)給速度時，鉆頭每轉(zhuǎn)的切削量隨之增大，導(dǎo)致其受到材料的抗力載荷增大，從而軸向力增大。

10 結(jié)論

（1）將單個截齒作為研究對象，建立單齒破巖分析模型，利用動態(tài)分析軟件LS-DYNA以數(shù)值模擬的方法，對截齒鉆削巖石時不同工況條件下的受力進(jìn)行分析研究，保證結(jié)果準(zhǔn)確性的同時，避免了大量傳統(tǒng)試驗方法成本較高、效率較低的缺點。

（2）當(dāng)進(jìn)給速度維持在一個恒定值時，增加其主軸轉(zhuǎn)速，鉆削軸向力不斷減小;當(dāng)主軸轉(zhuǎn)速維持在一個恒定值時，增加其進(jìn)給速度，鉆削軸向力不斷增大。

（3）通過對單個截齒鉆削巖石過程的仿真，為旋挖鉆頭截齒的分布和實際鉆削破巖時選擇合理的鉆削參數(shù)提供一定的依據(jù)。

參考文獻(xiàn)

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