基于光滑粒子动力学的煤岩刨刀刨削过程数值模拟.pdf

第 卷 第 期 年 月应用力学学报 .收稿日期:修回日期:基金项目:国家自然科学基金资助项目(.)通信作者:岳立新:.引用格式:岳立新刘金松刘宝龙等.基于光滑粒子动力学的煤岩刨刀刨削过程数值模拟.应用力学学报():.():.文章编号:()基于光滑粒子动力学的煤岩刨刀刨削过程数值模拟岳立新刘金松刘宝龙田晓旭(辽宁工程技术大学机械工程学院 阜新)摘 要:为研究刨削参数对刨刀载荷特性的影响规律对刨刀破煤过程进行仿真为得到更可靠的仿真数据采用光滑粒子动力学()与有限元进行耦合()对刨刀破煤过程进行模拟并将仿真结果与传统有限元算法进行比较证明此算法的优越性 通过模拟不同刨削参数下的刨刀的破煤过程得到刨刀载荷数据 研究结果表明:随着刨削速度的增加刨刀在刨削过程中的整体受载变化不大但刨刀所受载荷峰值和波动范围随着随刨削速度的增加而增大随着刨削深度的增加刨刀在刨削过程中的整体受载有着明显的变化具体表现为:刨刀所受载荷峰值和均值随着随刨削深度的增加而增大但刨削深度对刨刀载荷波动范围影响不明显关键词:光滑粒子动力学 耦合刨刀载荷刨削参数中图分类号:文献标志码:./.():.()().:.:第 期岳立新 等:基于光滑粒子动力学的煤岩刨刀刨削过程数值模拟 投稿网站:/.微信公众号:应用力学学报 煤炭是我国重要的是主体能源也是我国工业能源产业的原材料 煤炭资源占我国化石能源的薄煤层约占总可采煤炭储量的 刨煤机更适用于薄煤层中落煤、装煤的自动化采煤机械 对于刨刀载荷特性的研究国内外众多学者应用有限元方法对刨刀破煤过程进行了模拟仿真但刨刀刨削煤岩过程从研究范畴上讲属于高速碰撞问题其数值过程包含煤岩的大变形计算和刨刀煤岩耦合碰撞接触的高度非线性计算目前常见的刨刀刨削煤岩仿真方式是有限元计算方法但相较而言以质点粒子建模为基础的无网格计算方法更适合对岩体破碎过程进行仿真但由于相关理论的建立时间较晚使用该方式的煤岩破碎过程仿真并不多见 本研究将通过质点光滑粒子()填充的方式对煤岩进行建模对刨刀模型采用拉格朗日网格进行填充使用 耦合算法对刨刀刨削煤岩过程进行数值模拟从模拟结果中提取不同刨削参数组合下的刨刀载荷并进一步对其载荷规律进行研究总结 研究结果可为煤岩刨削数值模拟提供一种新思路基于 刨刀破煤的数值模型.耦合理论刨刀刨削煤岩过程属于高速非线性碰撞问题在本次所研究的仿真问题中煤岩表现为大变形脆塑性断裂因此使用 光滑粒子进行填充而刨刀在碰撞过程中多数表现为不同刨削载荷下的弹塑性变形仅在遭遇夹矸等特殊条件下可能产生极限载荷下的断裂失效因此为节约计算成本使用拉格朗日网格对刨刀进行填充对于单元和粒子间的耦合问题可以将耦合界面附近的单元转化为位于单元质心位置参与 粒子计算的虚粒子用于计算网格单元对粒子的影响作用同时将耦合界面附近的虚粒子作用力等效为作用于网格单元边上的面力 其中虚粒子的作用仅适用于上述功能的实现而对于仿真过程中网格向粒子的转化过程属于第 个问题将在后文提及针对网格参数和虚粒子参数间的等效原则采用公式()进行计算()式中:、分别表示编号为 的单元对应虚粒子 的半径和光滑长度 表示单元 的面积 表示与粒子间距 和初始光滑长度 相关的光滑长度放大因子计算公式为()与之相对应虚粒子对应的单元边 上的等效面力转化为 ()式中:、和 分别表示单元边上 点和 点等效总载荷沿 向和 向的分量 和 分别表示单元边上等效面力的 向和 向分量 ()/表示与单元边 相关的粒子 和粒子 的平均半径 为单元边 的长度 和 则分别表示 单元边上沿 向和 向的面力分量计算公式为 ()式中:、和 分别表示与单元边 相关联的粒子应力分量、和 的平均值 和 表示单元边 的外法向分量.刨刀和煤岩参数的设定利用材料关键字()和边界条件关键字()定义等操作来定义相应的 耦合计算模型材料其中刨刀各零件的各项材料参数按照生产实际查询手册获得煤岩部分采用弹塑性失效材料模型()对实验室煤岩样品相关机械力学性能进行实验室测定表 分别为刨刀、煤样的材料参数表 刨刀材料参数.材料名称弹性模量/抗压强度/密度/()泊松比.应用 力 学 学 报第 卷投稿网站:/.微信公众号:应用力学学报表 煤样材料参数.参数煤密度/()弹性模量/杨氏模量/泊松比.屈服极限/体积模量/.刨刀破煤的数值模型的生成在 耦合计算过程中网格单元应变达到极值条件下其网格形状已经产生畸变无法满足进一步计算对其形变的需求因此需要将相应的网格单元转换为 粒子进一步参与计算 引入转化单元和单元组的概念在建模计算初期按照区块位置将网格划分为若干单元组若某单元组内任意单元满足转化条件则可以将该单元组包含的所有单元作为转换单元转换成相应的 计算粒子与前文提到的虚粒子不同此处的粒子将替代原有网格存在并参与计算并不可被再次转换为网格 粒子转换过程和原理与虚粒子相同转换后的粒子与网格形成更新后的耦合边界使用 节点与单元边耦合算法对粒子和新边界进行固连耦合 依据上述分析对材料模型进行相关参数设定参考刨刀破煤的动力学模型来定义刨刀网格和煤岩节点间的接触和耦合参数及数值模型的边界条件同时为了节省计算时间对刨刀模型进行了简化从而获得刨刀刨削煤岩 仿真计算模型如图 所示图 刨刀刨削煤岩 计算模型.模拟不同工况下的刨削过程参照现实下的刨煤机牵引速度以及在某矿下调研刨煤机工作的结果刨煤机的牵引速度随不同煤层分为低、中、高 档分别为 ./././因此在模拟中也应设置与牵引速度一致的刨刀速度 改变刨刀的截深可通过煤岩与刨刀模型的相对位置来调整参照调研数据本次仿真分别选用 作为截深距离依据刨削工况参数为减少仿真计算时间参照正交试验理论设计仿真参数的配置对 种级别的两类工况参数下进行 次仿真得到对应的刨刀载荷影响规律设正交工况参数如表 所示表 刨煤机刨削煤岩工况参数.工况编号刨削速度/()刨削深度/.依据上述工况参数设定刨削距离 从刨刀与煤接触时开始记录仿真数据获得不同条件下的刨削煤岩仿真结果 算法与 算法对比分析 为了体现 算法在煤岩破碎仿真中的优势本研究使用传统有限元方法对第 组工况进行了仿真 并以第 组工况为例将 算法的仿真结果与传统有限元的仿真结果进行了对比分析如图 所示结合图 观察两种算法的失效形式传统的有限元算法单元满足失效条件后被自动删除但在实际的刨煤过程中煤体失效后以煤屑的形式脱离煤体而煤屑对刨刀的受力也有着重要的影响所以 算法的仿真结果更符合实际情况因此对连续体的破碎或分离分析采用 算法更为可靠和准确第 期岳立新 等:基于光滑粒子动力学的煤岩刨刀刨削过程数值模拟 投稿网站:/.微信公众号:应用力学学报图 算法与 算法对比分析.仿真结果分析对应模拟方案从煤岩坚固性系数、刨削速度和刨削深度 个方面采用控制变量法来对刨刀进行受力研究将刨刀刨侧向力、挤压力、削阻力的方向分别记作 向、向和 向 参照仿真结果依据刀头和煤岩的接触条件对其三向载荷数据进行统计分析探究刨刀载荷随工况参数的变化规律表 给出了每组工况对应的刀头载荷曲线的统计结果表 刨刀载荷工况参数.工况编号载荷均值/载荷极值/标准差/.依据统计结果分别获得刀头载荷随刨削速度 应用 力 学 学 报第 卷投稿网站:/.微信公众号:应用力学学报 和刨削深度 的变化规律使用折线图绘制如图 所示图 刀头载荷随刨削速度变化曲线.图 刀头载荷随刨削深度变化曲线.图 可知刨削速度增大刀头载荷均值趋平稳变化但载荷极值与标准差呈轻微上升表示刨刀最大载荷及波动范围的升高 由图 可知随刨削深度增大刀头载荷的波动范围增加波动频率也有变动这是由于增加刨削深度导致刀头和煤接触面积增大但刀头载荷标准差趋平稳变化因此可推断刨削深度对刀头载荷波动范围的影响并不明显 结 论本研究通过使用 耦合算法对不同情况下刨刀刨削煤岩进行了模拟这对刨刀刨削煤体的仿真方式提供了一种新思路不仅同时也得到了刨削参数对刨刀载荷的影响规律结论如下)随着刨削速度的增加刨刀在刨削过程中的整体受载变化不大但刨刀所受载荷峰值和波动范围随刨削速度的增加而增大)随着刨削深度的增加刨刀在刨削过程中的整体受载有着明显的变化具体表现为:刨刀所受载荷峰值和均值随着随刨削深度的增加而增大但刨削深度对刨刀载荷波动范围影响不明显)本研究以煤岩刨削破碎为例对比传统有限元算法与光滑粒子动力学()与有限元进行耦合()算法下的煤体失效形式结合实际的刨煤过程可知 算法的仿真结果更符合实际情况因此对连续体的破碎或分离分析采用 算法更为可靠和准确同时本研究也开创性地为煤岩的刨削破碎仿真提供了一种新思路参考文献:黄盛初.中国煤炭发展报告.北京:煤炭工业出版社.袁树来张立明王克武等.薄煤层高产高效开采技术.北京:煤炭工业出版社.国家发展改革委国家能源局.关于印发煤炭工业发展“十三五”规划的通知:发改能源 号/.().:/./.马可白.刨煤机刨基体的拓扑优化分析.哈尔滨:哈尔滨工业大学.赵丽娟马联伟刘旭南等.难刨煤层刨刀可靠性与疲劳寿命研究.机械设计():.():().:.:.():.张红松胡仁喜康士廷等./非线性有限元分析实例指导教程.北京:机械工业出版社.():.(编辑 张璐)