CN112560317A - 一种模拟激光辅助刀具破岩过程的仿真建模方法 - Google Patents
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Abstract
一种模拟激光辅助刀具破岩过程的仿真建模方法，包括包含以下步骤：S1：采用包括但不限于仿真、试验和理论建模的至少一种手段，获取激光作用下岩石表面形成的槽孔的轮廓形貌；槽孔包括孔洞与切槽；S2：建立滚刀破岩仿真模型，其中：岩石仿真模型预制出具有与S1相同轮廓形貌的槽孔；S3：基于S2中所建滚刀破岩仿真模型，开展滚刀破岩仿真分析，以近似模拟激光辅助刀具破岩过程。本方法易于实现、操作简单方便、所得结果较准确，可用于验证激光辅助TBM滚刀破岩的可行性，为实际工程应用提供借鉴。
Description
技术领域
本发明属于地下空间工程、岩土工程、激光加工工程与计算机辅助工程的交叉领域，涉及一种模拟激光辅助刀具破岩(泛指岩土)过程的仿真建模方法，尤其涉及一种模拟激光辅助全断面硬岩掘进机(以下简称TBM)盘形滚刀(以下简称滚刀)破岩过程的有限元仿真建模方法。
背景技术
随着高压水射流、微波、等离子体爆破和激光等诸多高效破岩技术的相继问世，上述破岩技术有望被进一步推广应用至现有传统的隧道掘进装备与破岩工具中，以辅助现有破岩刀具(以下简称刀具)切削岩石，提高现有隧道掘进装备与破岩工具的工作效率，降低刀具损耗和施工成本。
以大型隧道掘进装备——TBM为例，TBM通常利用滚刀回转滚压破岩，但由于地质条件复杂恶劣，加之存在阶跃破碎等载荷工况，导致滚刀频繁失效。如何提高现有滚刀的破岩性能，尤其是延长“三高”(高原岩围压、高岩石强度、高石英含量)等极端地质条件下的滚刀使用寿命成为业界亟待解决的关键问题。鉴于激光具有的高功率密度和非接触式能量传输的独特优势，激光有望辅助滚刀等刀具实现高效协同破岩。例如，中国专利(申请号为：201810502773.8)提出了一种耦合了激光的刀盘系统，通过合理排布激光器的位置，可以实现激光预先在岩石上切槽打孔，滚刀随后滚压破岩的激光辅助滚动破岩新模式。无疑，开展激光辅助滚刀破岩研究，具有较高的学术研究价值和经济潜力。
在激光破岩领域，大量学者利用仿真、试验和理论建模手段对岩石物理力学参数和激光参数对激光破岩机理展开了深入研究，并取得了丰富的研究成果。同样，在TBM滚刀破岩领域，也类似在仿真、试验和理论建模技术方面具有深厚的积累。然而，在激光辅助刀具，尤其是滚刀破岩领域，却鲜有报道。特别地，因激光破岩过程涉及热应力耦合、物相转变及新物质生成等问题，而刀具破岩过程涉及机械应力去除与瞬态非线性变形等问题，采用常规仿真建模手段，并在现有大型商业仿真建模软件提供的计算环境下，难以模拟激光辅助刀具破岩的全部过程，并反映与实际完全一致的宏微观特征与物理力学属性。
目前，缺乏满足工程应用精度且能够模拟激光辅助刀具破岩过程的仿真建模手段。
发明内容
为了解决现有技术的上述缺点与不足，本发明提供了一种模拟激光辅助刀具破岩过程的仿真建模方法，具体包括以下步骤：
S1：采用包括但不限于仿真、试验和理论建模的至少一种手段，获取激光作用下岩石表面形成的槽孔的轮廓形貌；
S2：建立滚刀破岩仿真模型，其中：岩石仿真模型预制出具有与S1相同轮廓形貌的槽孔；
S3：基于S2中所建滚刀破岩仿真模型，开展滚刀破岩仿真分析。
作为优选，S1中，可以直接采用激光破岩试验，测量出槽孔的尺寸参数，再在S2中，根据S1中所获尺寸参数，重构出具有相同尺寸参数的槽孔；
更为优选，S1中，采用三维轮廓扫描仪直接测量获得槽孔的轮廓形貌。
作为优选，S1中，采用仿真手段预测损伤的轮廓形貌；相应地，在S2中预制出具有与S1相同轮廓形貌的损伤；
更为优选，采用ANSYS的热力学分析模块，建立三维的激光破岩仿真模型；
更为优选，建立三维的激光破岩仿真模型时，激光照射区域的岩石单元进行加密处理，该区域岩石单元的单元尺寸不超过激光光斑直径的1/4。
更为优选，对激光破岩过程进行二维有限元仿真建模分析，获得损伤的二维轮廓形貌；相应地，在S2中，建立二维的滚刀破岩仿真模型，其中岩石仿真模型具有与S1相同轮廓形貌的损伤；
更为优选，根据S1中获得的损伤的二维轮廓形貌，在S2中，再通过三维建模命令，重构出具有三维损伤轮廓形貌的岩石仿真模型。
更为优选，S2中，采用ANSYS/LS-DYNA，对滚刀破岩过程进行三维有限元建模分析。
作为优选，根据S1中所获得的单个槽孔的轮廓形貌，在S2中利用HyperMesh复制出具有给定孔孔距的多个槽孔的轮廓形貌。
本发明的有益效果是，提供了一种模拟激光辅助刀具破岩过程的仿真建模方法，易于实施、操作简便，并具有较高的工程应用精度；此外，本发明将激光作用下岩石表面产生的槽孔及内部产生的裂隙等损伤行为纳入考察，最大限度地逼近了激光辅助刀具破岩机理；最后，巧妙地利用HyperMesh将单个槽孔按给定的孔孔距B复制出不少于两个的槽孔，节约了激光破岩仿真分析时间。利用本发明开展的研究工作，一方面可用于验证激光辅助TBM滚刀破岩的可行性，另一方面，有助于进一步优化激光辅助破岩的能耗效率，为实际工程应用提供借鉴。
附图说明
构成本发明的一部分的附图用来提供对本发明的进一步理解，本发明的示意性实施例及其说明用于解释本发明，并不构成对本发明的不当限定。
下面结合附图和实施例对本发明进一步说明。
图1为激光破岩试验中岩石表面形成的孔洞在其纵剖面上的轮廓形貌图(标注有尺寸参数)；
图2为激光破岩试验中岩石表面形成的切槽示意图(标注有尺寸参数)；
图3为激光破岩仿真模型的建模分析流程图；
图4为激光破岩仿真所获得的岩石表面上单个孔洞的轮廓形貌图；
图5为图4中纵剖面上损伤的轮廓形貌；
图6为岩石仿真模型的单元划分与单元尺寸示意图；
图7为损伤的二维轮廓形貌与旋转(三维建模命令)重构出孔洞轮廓形貌的岩石仿真模型图；
图8为损伤的二维轮廓形貌与扫掠(三维建模命令)重构出切槽轮廓形貌的岩石仿真模型图；
图9为滚刀侵岩仿真模型的建模分析流程图；
图10给定孔孔距B和刀孔距A时滚刀侵岩仿真及试验所获得的垂直力Fv随侵深h的变化曲线图；
图11为激光辅助刀具破岩仿真模型的示意图。
具体实施方式
为使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚、明确，以下参照附图并举实施例对本发明进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。
破岩刀具形式多样，种类繁多，其中滚刀为TBM的主要破岩刀具。滚刀破岩过程又包括滚刀侵岩、滚刀滚压破岩等多种形式。为了节省篇幅，现以激光辅助滚刀侵岩为例，介绍本发明一种模拟激光辅助刀具破岩过程的仿真建模方法的具体实施过程，具体包括以下步骤：
S1：采用包括但不限于仿真、试验和理论建模的至少一种手段，获取激光作用下岩石表面形成的槽孔的轮廓形貌；槽孔包括孔洞与切槽；
S2：建立滚刀破岩仿真模型，其中：岩石仿真模型预制出具有与S1相同轮廓形貌的槽孔；
S3：基于S2中所建滚刀破岩仿真模型，开展滚刀破岩仿真分析，以近似模拟激光辅助刀具破岩过程。
作为优选，考虑到物理试验最具有可靠性，为了精确预测槽孔的轮廓形貌，S1中，可以直接采用激光破岩试验，测量出槽孔的尺寸参数，再在S2中，根据S1中所获尺寸参数，重构出具有相同尺寸参数的槽孔，以近似模拟S1中实际槽孔的轮廓形貌；
更为具体地，本例中，如采用激光在岩石表面加工出如图1所示的孔洞，可测量获得孔洞的尺寸参数，包括孔径d与孔深h1；或者采用激光在岩石表面上加工出如图2所示的切槽，可测量获得槽宽w、槽深h2和槽长L的尺寸参数。值得补充说明的是，试验测量获得的上述尺寸参数均为统计平均值，因此在S2中所建槽孔只能近似反映实际槽孔的轮廓形貌；如表1所示，为某次激光破岩试验中，不同激光功率下激光在岩石表面加工出的孔洞的尺寸参数统计汇总表。
表1不同激光功率下孔洞的尺寸参数统计汇总表
更为优选，为了提高建模精度，S1中，采用三维轮廓扫描仪直接测量获得槽孔的轮廓形貌。
作为优选，考虑到激光作用下不仅在岩石表面形成了槽孔，还在岩石内部形成了裂隙(裂纹与缝隙)，为获得与实际相接近的槽孔与裂隙(统称为损伤)的轮廓形貌，S1中，采用仿真手段预测损伤的轮廓形貌；相应地，在S2中预制出具有与S1相同轮廓形貌的损伤；
更为优选，本例中，采用ANSYS的热力学分析模块，建立三维的激光破岩仿真模型，如图3所示，主要建模分析步骤包括：
S101、在SolidWorks等三维CAD软件中建立岩石几何模型；
S102、将步骤S101建立的岩石几何模型导入到ANSYS中；
S103、设置单元类型并进行单元划分，获得岩石仿真模型；
S104、设置热源模型，输入激光参数(包括激光功率，激光半径)及岩石物理力学参数(包括比热容、导热系数、熔点、线膨胀系数、密度、弹性模量、泊松比、单轴抗压强度、单轴抗拉强度)；
S105、仿真求解分析；期间，当岩石单元的热应力超出理论极限值(单轴抗压强度与单轴抗拉强度)或者岩石单元的温度超过岩石的熔点时，岩石单元便会被ANSYS删除(称之为杀死岩石单元)，也即死单元会被删除不显示，剩下的未被杀死的活单元，近似反映了激光作用下损伤的轮廓形貌；
如图4所示，为某一给定岩石单元的精度下，采用仿真手段获得的激光作用下岩石表面上单个孔洞的轮廓形貌。
如图5所示，为图4纵剖面上损伤的轮廓形貌，其中岩石单元100至107为岩石表面被杀死的岩石单元，共同构成了槽孔的轮廓形貌，而岩石内部被杀死的岩石单元200至204。共同构成了裂隙的轮廓形貌。理论上讲，岩石单元的精度越高，损伤的轮廓形貌的模拟精度越高。
S106、获得岩石的损伤的轮廓形貌，导出结果文件。本例中，结果文件包括被杀死的岩石单元信息及其节点信息；或者包括存活的岩石单元信息及其节点信息。
更为优选，为保证S103中岩石仿真模型的单元数量不会过大，合理减少计算时间和计算机内存，综合考虑下，如图6所示，激光照射区域的岩石单元进行加密处理，该区域岩石单元的单元尺寸不超过激光光斑直径的1/4。本例中，激光光斑直径为1mm，该区域岩石单元的单元尺寸为0.2mm，其他区域的岩石单元的单元尺寸为2mm。
更为优选，为了合理缩减S1中的仿真建模规模，节约仿真分析时间，也可对激光破岩过程进行二维有限元仿真建模分析，获得损伤的二维轮廓形貌；相应地，在S2中，建立二维的滚刀破岩仿真模型，其中岩石仿真模型具有与S1相同轮廓形貌的损伤；
更为优选，如图7和图8所示，根据S1中获得的损伤的二维轮廓形貌，在S2中，再通过旋转(形成孔洞)或者扫掠(形成切槽)等三维建模命令，重构出具有三维损伤轮廓形貌的岩石仿真模型。
更为优选，本例中，采用ANSYS/LS-DYNA，对滚刀破岩过程进行三维有限元建模分析。
更为具体地，本例中，以激光辅助滚刀侵岩为例，介绍如何根据S1中采用ANSYS的热力学分析模块，对激光破岩过程进行三维有限元仿真建模分析后，在ANSYS/LS-DYNA环境下建立滚刀侵岩仿真模型，如图9所示，主要建模分析步骤包括：
S201、在ANSYS/LS-DYNA，根据S106中获得的结果文件，尤其是参考被杀死的岩石单元及其节点信息，或者存活的岩石单元及其节点信息，建立后续用于滚刀侵岩仿真的岩石仿真模型；
S202、在S201所建岩石仿真模型之上，建立刀圈仿真模型；
S203、导出K文件
S204、将S203中所获K文件导入HyperMesh或LS-DYNA前处理器中；
S205、在HyperMesh或LS-DYNA前处理器中，设置单元类型、划分单元；
S206、为刀圈仿真模型与岩石仿真模型选取合适的材料模型，并输入材料参数；
S207、设置接触类型、边界约束、位移载荷、沙漏控制；
S208、设定控制与输出(设定计算时间、计算步)；
S209、在HyperMesh或LS-DYNA前处理器中，重新生成K文件；
S210、调用LS-DYNA求解器进行仿真求解；
S211、在LS-DYNA后处理器中进行后处理，包括查看三向切削力等载荷信息、破岩量、沙漏能，动能，内能等能量信息，应力应变等物理场量信息，以及破岩瞬时宏微观现象。
如图10所示，为给定孔孔距B为2mm、刀孔距A为4mm时，滚刀侵岩仿真及试验所获得的垂直力Fv随侵深h的变化曲线。图中，300为仿真曲线，301为垂直力峰值曲线，302为由301所拟合得到的曲线，303为滚刀侵岩试验所得垂直力曲线，经对比，302与303的相对误差在20％以下，满足工程应用精度。
作为优选，本例中，考虑到激光辅助滚刀破岩过程中一般激光参数维持恒定，因此制备出的每个槽孔尺寸较为接近，为了节约仿真时间，可以在S1中采用仿真手段预测出如图4所示单个槽孔的轮廓形貌；再根据所获得的轮廓形貌，在S2中利用HyperMesh复制出具有给定孔孔距的多个槽孔的轮廓形貌。更为具体地，本例中，在S106中得到了激光破岩仿真后的结果文件，获得存活单元及其节点信息；在S201与S202中，利用存活单元及其节点信息重新建立具有单个槽孔的岩石仿真模型，并按给定刀孔距A建立刀圈仿真模型；在S203和S204中，将所建的滚刀破岩仿真模型导出成K文件，并将K文件导入HyperMesh中，在HyperMesh中将单个槽孔按给定的孔孔距B复制出不少于两个的槽孔，最终获得了类似如图11所示的激光辅助刀具破岩仿真模型。
以上说明对本发明而言只是说明性的，而非限制性的，本领域普通技术人员理解，在不脱离所附权利要求所限定的精神和范围的情况下，可做出许多修改、变化或等效，但都将落入本发明的保护范围内。
Claims (10)
1.一种模拟激光辅助刀具破岩过程的仿真建模方法，其特征在于，包含以下步骤：
S1：采用包括但不限于仿真、试验和理论建模的至少一种手段，获取激光作用下岩石表面形成的槽孔的轮廓形貌；
S2：建立滚刀破岩仿真模型，其中：岩石仿真模型预制出具有与S1相同轮廓形貌的槽孔；
S3：基于S2中所建滚刀破岩仿真模型，开展滚刀破岩仿真分析。
2.根据权利要求1所述的一种模拟激光辅助刀具破岩过程的仿真建模方法，其特征在于：
S1中，可以直接采用激光破岩试验，测量出槽孔的尺寸参数，再在S2中，根据S1中所获尺寸参数，重构出具有相同尺寸参数的槽孔。
3.根据权利要求2所述的一种模拟激光辅助刀具破岩过程的仿真建模方法，其特征在于：
S1中，采用三维轮廓扫描仪直接测量获得槽孔的轮廓形貌。
4.根据权利要求1所述的一种模拟激光辅助刀具破岩过程的仿真建模方法，其特征在于：
S1中，采用仿真手段预测损伤的轮廓形貌；相应地，在S2中预制出具有与S1相同轮廓形貌的损伤。
5.根据权利要求4所述的一种模拟激光辅助刀具破岩过程的仿真建模方法，其特征在于：
采用ANSYS的热力学分析模块，建立三维的激光破岩仿真模型。
6.根据权利要求5所述的一种模拟激光辅助刀具破岩过程的仿真建模方法，其特征在于：
建立三维的激光破岩仿真模型时，激光照射区域的岩石单元进行加密处理，该区域岩石单元的单元尺寸不超过激光光斑直径的1/4。
7.根据权利要求4所述的一种模拟激光辅助刀具破岩过程的仿真建模方法，其特征在于：
对激光破岩过程进行二维有限元仿真建模分析，获得损伤的二维轮廓形貌；相应地，在S2中，建立二维的滚刀破岩仿真模型，其中岩石仿真模型具有与S1相同轮廓形貌的损伤。
8.根据权利要求7所述的一种模拟激光辅助刀具破岩过程的仿真建模方法，其特征在于：
根据S1中获得的损伤的二维轮廓形貌，在S2中，再通过三维建模命令，重构出具有三维损伤轮廓形貌的岩石仿真模型。
9.根据权利要求1至6、8中任意一项所述的一种模拟激光辅助刀具破岩过程的仿真建模方法，其特征在于：
S2中，采用ANSYS/LS-DYNA，对滚刀破岩过程进行三维有限元建模分析。
10.根据权利要求9所述的一种模拟激光辅助刀具破岩过程的仿真建模方法，其特征在于：
根据S1中所获得的单个槽孔的轮廓形貌，在S2中利用HyperMesh复制出具有给定孔孔距的多个槽孔的轮廓形貌。
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|---|---|
| CN112560317B (zh) | 2024-04-05 |
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