CN114880910A - 融合复杂地质环境的掘锚一体机数值耦合仿真方法 - Google Patents

融合复杂地质环境的掘锚一体机数值耦合仿真方法 Download PDF

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CN114880910A CN202210792011.2A CN202210792011A CN114880910A CN 114880910 A CN114880910 A CN 114880910A CN 202210792011 A CN202210792011 A CN 202210792011A CN 114880910 A CN114880910 A CN 114880910A
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Abstract

本发明公开一种融合复杂地质环境的掘锚一体机数值耦合仿真方法，该方法利用地质勘测数据，快速构建掘锚一体机工作环境的地质环境煤岩几何与性能高保真模型，根据工程掘进要求，构建在巷道掘进的掘锚一体机与复杂地质环境耦合掘进模型，利用改进经验公式与三维线性插值法，快速计算耦合过程中的掘锚一体机截割滚筒的三向截割阻力与截割扭矩，将计算得到的耦合载荷输入到截割大臂进行结构仿真分析，快速得到载荷对装备状态性能响应值。本发明构建了复杂地质环境耦合的掘锚一体机装备仿真模型，快速计算耦合过程中的载荷与地质环境对装备状态性能的影响，该方法可用于解决现有掘锚一体机装备难以与地质环境进行耦合的难题。

Description

融合复杂地质环境的掘锚一体机数值耦合仿真方法
技术领域
本发明涉及地下工程装备掘锚一体机领域，具体涉及一种地下工程装备掘锚一体机运行过程中的地质环境与装备之间的扰动与相互耦合方法，尤其涉及一种融合复杂地质环境的掘锚一体机数值耦合仿真快速计算方法。
背景技术
由于地下工程装备掘锚一体机作业过程中受到多物理场作用，地质条件、水文信息多变，服役环境极为复杂。掘锚一体机装备本身零部件数量多、整机运行精度要求高，在全生命周期中几何、结构、性能演化多变，装备系统极为复杂，现有的掘锚一体机装备载荷数值计算方法没有考虑地质环境耦合对装备性能的影响，无法准确评估装备运行过程中关键部件所受多物理场的响应，易造成装备关键部件的故障，严重影响掘锚一体机实际运行效率。因此，需要一种复杂地质环境耦合对掘锚一体机装备关键部件的耦合载荷的快速计算仿真的方法。
发明内容
本发明的目的在于克服现有技术的不足，提出了一种融合复杂地质环境的掘锚一体机数值耦合仿真方法。本发明考虑了复杂地质环境对掘锚一体机装备实际运行过程造成的扰动效应，通过建立高保真地质环境模型，掘锚一体机与服役环境的耦合模型，通过三维线性插值法与改进经验公式法实时快速计算得到耦合载荷数据，并将载荷数据输入到掘锚一体机关键部件截割大臂的有限元结构仿真分析模型，计算耦合载荷作用下装备性能状态响应值，在保证安全性能条件下，可实时调整状态运行参数，实现掘锚一体机装备智能实时高效掘进。
本发明的目的是通过以下技术方案来实现的：
一种融合复杂地质环境的掘锚一体机数值耦合仿真方法，包括如下步骤：
S1：根据实际地质勘测数据与大数据地质信息库，利用克里金插值算法，构建掘锚一体机掘进的高保真煤岩几何模型与性能模型T；
S2：根据工程掘进要求，利用掘锚一体机截割煤岩运动特性，建立融合复杂地质环境的掘锚一体机巷道掘进耦合模型；
S3：利用S1的高保真煤岩几何模型与性能模型T与S2的掘锚一体机巷道掘进耦合 模型，构建掘锚一体机与复杂地质环境耦合的截割载荷计算模型，实时快速计算得到截割 滚筒截割载荷
Figure 198216DEST_PATH_IMAGE001
；
S4：根据S3中获得的截割载荷
Figure 890228DEST_PATH_IMAGE001
数据，实时更新输入到掘锚一体机关键部件截割 大臂的结构仿真分析模型中，并计算得到特定时刻t时，复杂地质环境对掘锚一体装备性能 状态响应值
Figure 423978DEST_PATH_IMAGE002
；
S5：建立截割大臂的性能状态响应值阈值
Figure 806417DEST_PATH_IMAGE003
，将S4步骤计算得到的截割大臂的性 能状态响应值
Figure 501841DEST_PATH_IMAGE002
与阈值
Figure 635144DEST_PATH_IMAGE003
进行比较，若超出阈值
Figure 379109DEST_PATH_IMAGE003
，实时循环更新调整装备运行参数。
进一步的，所述S1中高保真煤岩几何模型尺寸根据实际掘进地质环境的大小来确 定尺寸参数P=（
Figure 288160DEST_PATH_IMAGE004
），高保真煤岩模型的性能模型T=[
Figure 544697DEST_PATH_IMAGE005
]，其中（x, y, z）代表不同 掘进位置处的煤岩坐标，f代表该掘进位置处的煤岩自身强度属性系数。
进一步的，所述S2具体包括如下步骤：
S2.1：调整掘锚一体机装备与煤岩模型进行接触，掘锚一体机的截割滚筒在巷道位置进行掘进；
S2.2：建立截割滚筒的运动学模型，建立截割滚筒的截齿中心位置坐标为（
Figure 680144DEST_PATH_IMAGE006
）， 建立截割滚筒上的截齿相对与滚筒中心的位置坐标为（
Figure 712953DEST_PATH_IMAGE007
），截割滚筒截割过程中按照 旋转截割方式进行切削煤岩操作，在一定时间内，设定滚筒旋转的角度为
Figure 476510DEST_PATH_IMAGE008
，在特定时刻t 时，截齿相对滚筒中心的位置为
Figure 654681DEST_PATH_IMAGE009
，截齿的实际空间位置为
Figure 995533DEST_PATH_IMAGE010
，其中
Figure 143617DEST_PATH_IMAGE011
与
Figure 653358DEST_PATH_IMAGE010
的计算如下：
Figure 330327DEST_PATH_IMAGE012
Figure 424054DEST_PATH_IMAGE013
Figure 47933DEST_PATH_IMAGE014
Figure 786082DEST_PATH_IMAGE015
Figure 791210DEST_PATH_IMAGE016
。
进一步的，所述S3中的掘锚一体机与复杂地质环境耦合的截割载荷计算模型具体包括如下子步骤：
S3.1：利用三维线性插值算法，计算得到在截割过程中各个参与截割的截齿与煤 岩接触处的截割的截齿处煤岩强度freal
Figure 247599DEST_PATH_IMAGE010
；
S3.2：利用改进经验公式法，通过线性叠加计算得到截割滚筒截割载荷
Figure 675169DEST_PATH_IMAGE001
，根据 实时碰撞检测算法，计算得到在特定时刻t时，掘锚一体机掘进过程中参与截割煤岩的截齿 数量为
Figure 923617DEST_PATH_IMAGE017
，截割滚筒的半径为
Figure 348913DEST_PATH_IMAGE018
，掘锚一体机在巷道掘进时，其截割滚筒截割载荷
Figure 727153DEST_PATH_IMAGE019
，参与截割的截齿上截割载荷为
Figure 20731DEST_PATH_IMAGE020
，结合上述S3.1中三维线 性插值计算得到的参与截割的截齿处煤岩强度freal
Figure 405576DEST_PATH_IMAGE010
，截割滚筒截割载荷
Figure 516621DEST_PATH_IMAGE001
计算方 法如下：
Figure 416443DEST_PATH_IMAGE021
Figure 185816DEST_PATH_IMAGE022
Figure 644742DEST_PATH_IMAGE023
Figure 536474DEST_PATH_IMAGE024
Figure 861276DEST_PATH_IMAGE025
Figure 886870DEST_PATH_IMAGE026
Figure 308624DEST_PATH_IMAGE027
其中，
Figure 308941DEST_PATH_IMAGE028
为滚筒第i个截齿在x方向受到的截割阻力，
Figure 75034DEST_PATH_IMAGE029
为滚筒第i个截齿在y方向 受到的截割阻力，
Figure 514106DEST_PATH_IMAGE030
为滚筒第i个截齿在z方向受到的截割阻力，
Figure 931312DEST_PATH_IMAGE031
为滚筒在x方向受到的截 割阻力，
Figure 430426DEST_PATH_IMAGE032
为滚筒在y方向受到的截割阻力，
Figure 916771DEST_PATH_IMAGE033
为滚筒在z方向受到的截割阻力，
Figure 831638DEST_PATH_IMAGE034
为滚筒在 旋转方向受到的截割阻力矩；
Figure 227984DEST_PATH_IMAGE035
为单截齿在x方向受到的截割阻力，
Figure 524098DEST_PATH_IMAGE036
为单截齿在y方向受 到的截割阻力，
Figure 638685DEST_PATH_IMAGE037
为单截齿在z方向受到的截割阻力，
Figure 560504DEST_PATH_IMAGE038
为掘锚一体机截割过程中的牵引速 度，
Figure 545778DEST_PATH_IMAGE039
为掘锚一体机截割过程中的截割滚筒切削转速。
进一步的，所述S3.1中，根据截齿的实际空间位置
Figure 511329DEST_PATH_IMAGE010
结合地质模型中不同空 间位置的煤岩参数信息，每间隔一定的空间位置获取一个煤岩自身强度属性系数f，根据截 齿的实际空间位置
Figure 113211DEST_PATH_IMAGE010
选取空间位置附近的8个煤岩自身强度属性系数f1、f2、f3、f4、f5、 f6、f7、f8，运用三维线性插值方法计算得到截齿当前接触煤岩的截齿处煤岩强度freal
Figure 573143DEST_PATH_IMAGE010
。
进一步的，所述S4中复杂地质环境对掘锚一体装备性能状态响应值
Figure 944081DEST_PATH_IMAGE002
计算包含如 下子步骤：
S4.1：将截割滚筒与截割大臂进行绑定，截割滚筒通过旋转轴将截割滚筒截割载 荷
Figure 581998DEST_PATH_IMAGE001
传输给截割大臂；
S4.2：建立截割大臂的有限元结构仿真分析模型，设置其材料属性与边界条件，划 分网格，将S3得到的截割滚筒截割载荷
Figure 671177DEST_PATH_IMAGE001
施加到分析模型中，计算得到复杂地质环境对掘 锚一体装备性能状态响应值
Figure 669220DEST_PATH_IMAGE002
。
本发明的有益效果如下：
（1）本发明利用地勘数据与大数据信息库，通过克里金插值算法，构建了高保真度的地质环境几何模型与数据模型；
（2）本发明考虑了复杂地质环境耦合效应对掘锚一体机的装备性能影响，通过建立装备与地质环境的耦合模型，利用三维线性插值与改进经验法，可快速计算耦合载荷数据；
（3）本发明通过计算耦合载荷对掘锚一体机关键部件截割大臂的性能状态响应值
Figure 816036DEST_PATH_IMAGE002
，通过阈值比较法，可实现对装备运行参数的调节，实现高效快速掘进。
附图说明
图1为本发明的融合复杂地质环境的掘锚一体机数值耦合仿真方法流程图；
图2为掘锚一体机工作示意图；
图3为掘锚一体机与服役环境耦合模型示意图；
图4为掘锚一体机截割滚筒运动学模型示意图；
图5为三维线性插值计算煤岩强度示意图；
图6a-图6d为一定时间段内，融合复杂地质环境的掘锚一体机耦合载荷及扭矩数据曲线图；
图7为掘锚一体机关键部件截割大臂的结构仿真分析模型示意图。
具体实施方式
下面根据附图和优选实施例详细描述本发明，本发明的目的和效果将变得更加明白，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。
本发明的融合复杂地质环境的掘锚一体机数值耦合仿真方法利用地质勘测数据，快速构建掘锚一体机工作环境的地质环境煤岩几何与性能高保真模型，根据工程掘进要求，构建在巷道掘进的掘锚一体机与复杂地质环境耦合掘进模型，利用改进经验公式与三维线性插值法，快速计算耦合过程中的掘锚一体机截割滚筒的三向截割阻力与截割扭矩，将计算得到的耦合载荷输入到截割大臂进行结构仿真分析，快速得到载荷对装备状态性能响应值。
如图1所示，本发明的融合复杂地质环境的掘锚一体机数值耦合仿真方法，包括如下步骤：
S1：根据实际地质勘测数据与大数据地质信息库，利用克里金插值算法，构建高保真掘锚一体机掘进的高保真煤岩几何模型与性能模型T；
所述S1中高保真煤岩几何模型尺寸根据实际掘进地质环境的大小来确定尺寸参 数P=（
Figure 264335DEST_PATH_IMAGE004
），高保真煤岩模型的性能模型T=[
Figure 450597DEST_PATH_IMAGE005
]，其中（x, y, z）代表不同掘进位置 处的煤岩坐标，f代表该掘进位置处的煤岩自身强度属性系数。
S2：根据工程掘进要求，利用掘锚一体机截割煤岩运动特性，建立融合复杂地质环境的掘锚一体机巷道掘进耦合模型；
所述S2中的建立融合复杂地质环境的掘锚一体机巷道掘进耦合模型实现步骤具体为：
S2.1：如图2所示，调整掘锚一体机装备与煤岩模型进行接触，掘锚一体机的截割滚筒可以在巷道位置进行掘进；
S2.2：掘锚一体机截割滚筒安装在装备的前端，由切割截齿组成，建立截割滚筒的 运动学模型，如图3所示，建立截割滚筒的截齿中心位置坐标为（
Figure 376965DEST_PATH_IMAGE006
），如图4所示，建立 截割滚筒上的截齿相对与滚筒中心的位置坐标为（
Figure 348594DEST_PATH_IMAGE007
），截割滚筒截割过程中按照旋 转截割方式进行切削煤岩操作，在一定时间内，设定滚筒旋转的角度为
Figure 702215DEST_PATH_IMAGE008
，则在特定时刻t 时，截齿相对滚筒中心的位置为
Figure 375773DEST_PATH_IMAGE040
，截齿的实际空间位置为
Figure 840252DEST_PATH_IMAGE041
，其中
Figure 430503DEST_PATH_IMAGE042
与
Figure 689446DEST_PATH_IMAGE010
的计算如下：
Figure 850300DEST_PATH_IMAGE012
Figure 384049DEST_PATH_IMAGE013
Figure 799112DEST_PATH_IMAGE043
Figure 760115DEST_PATH_IMAGE015
Figure 408265DEST_PATH_IMAGE016
。
S3：利用S1的高保真煤岩几何模型与性能模型T与S2的掘锚一体机巷道掘进耦合 模型，构建掘锚一体机与复杂地质环境耦合的截割载荷计算模型，实时快速计算得到截割 滚筒截割载荷
Figure 214547DEST_PATH_IMAGE001
；
掘锚一体机的截割滚筒由大量截齿组成，所述的S3中的掘锚一体机与复杂地质环境耦合的截割载荷计算模型具体包括如下子步骤：
S3.1：如图5所示，利用三维线性插值算法，计算得到在截割过程中各个参与截割 的截齿与煤岩接触处的煤岩强度系数，根据截齿的实际空间位置
Figure 513810DEST_PATH_IMAGE010
结合地质模型中不 同空间位置的煤岩参数信息，由于煤岩参数数据在空间中是离散分布的，每间隔一定的空 间位置获取一个煤岩自身强度属性系数f，根据截齿的实际空间位置
Figure 52239DEST_PATH_IMAGE010
选取空间位置 附近的8个煤岩自身强度属性系数（f1、f2、f3、f4、f5、f6、f7、f8），运用三维线性插值方法计算 得到截齿当前接触煤岩的截齿处煤岩强度freal
Figure 515581DEST_PATH_IMAGE010
；
S3.2：利用改进经验公式法，通过线性叠加计算得到截割滚筒截割载荷
Figure 548391DEST_PATH_IMAGE001
，根据 实时碰撞检测算法，计算得到在特定时刻t时，掘锚一体机掘进过程中参与截割煤岩的截齿 数量为
Figure 577527DEST_PATH_IMAGE017
，截割滚筒的半径为
Figure 755698DEST_PATH_IMAGE018
，掘锚一体机在巷道掘进时，其截割滚筒截割载荷
Figure 971916DEST_PATH_IMAGE019
是受到地质环境耦合产生的三向截割阻力与截割扭矩，参与截割的截齿上 截割载荷为
Figure 510213DEST_PATH_IMAGE020
，结合上述S3.1中三维线性插值计算得到的参与截割的截齿 处煤岩强度freal
Figure 393856DEST_PATH_IMAGE010
，截割滚筒截割载荷
Figure 742929DEST_PATH_IMAGE001
计算方法如下：
Figure 712022DEST_PATH_IMAGE044
Figure 74915DEST_PATH_IMAGE022
Figure 954009DEST_PATH_IMAGE023
Figure 333038DEST_PATH_IMAGE045
Figure 914061DEST_PATH_IMAGE046
Figure 669527DEST_PATH_IMAGE047
Figure 137549DEST_PATH_IMAGE048
其中，
Figure 953058DEST_PATH_IMAGE028
为滚筒第i个截齿在x方向受到的截割阻力，
Figure 522842DEST_PATH_IMAGE029
为滚筒第i个截齿在y方向 受到的截割阻力，
Figure 81999DEST_PATH_IMAGE030
为滚筒第i个截齿在z方向受到的截割阻力，
Figure 466844DEST_PATH_IMAGE031
为滚筒在x方向受到的截 割阻力，
Figure 312309DEST_PATH_IMAGE032
为滚筒在y方向受到的截割阻力，
Figure 743290DEST_PATH_IMAGE033
为滚筒在z方向受到的截割阻力，
Figure 715926DEST_PATH_IMAGE034
为滚筒在 旋转方向受到的截割阻力矩；
Figure 548752DEST_PATH_IMAGE035
为单截齿在x方向受到的截割阻力，
Figure 66584DEST_PATH_IMAGE036
为单截齿在y方向受 到的截割阻力，
Figure 984861DEST_PATH_IMAGE037
为单截齿在z方向受到的截割阻力，
Figure 495608DEST_PATH_IMAGE038
为掘锚一体机截割过程中的牵引速 度，
Figure 917362DEST_PATH_IMAGE039
为掘锚一体机截割过程中的截割滚筒切削转速。
如图6a-图6d所示，是一定时间段内，融合复杂地质环境的掘锚一体机耦合载荷及扭矩数据的一个实施例。
S4：根据S3中获得的截割载荷
Figure 370209DEST_PATH_IMAGE001
数据，实时更新输入到如图7所示的掘锚一体机 关键部件截割大臂的结构仿真分析模型中，并计算得到特定时刻t时，复杂地质环境对掘锚 一体装备性能状态响应值
Figure 510203DEST_PATH_IMAGE002
；
所述的S4中掘锚一体机关键部件截割大臂的结构仿真分析模型计算装备性能状 态响应值
Figure 90220DEST_PATH_IMAGE002
包含如下子步骤：
S4.1：将截割滚筒与截割大臂进行绑定，截割滚筒通过旋转轴将截割滚筒截割载 荷
Figure 632060DEST_PATH_IMAGE001
传输给截割大臂；
S4.2：建立截割大臂的有限元结构仿真分析模型，设置其材料属性与边界条件，划 分网格，将S3得到的截割滚筒截割载荷
Figure 757273DEST_PATH_IMAGE001
施加到分析模型中，计算得到装备性能状态响应 值
Figure 56668DEST_PATH_IMAGE002
。
S5：建立截割大臂性能状态响应值的阈值
Figure 33851DEST_PATH_IMAGE003
，将S4步骤计算得到的截割大臂的性 能状态响应值
Figure 351569DEST_PATH_IMAGE002
与阈值
Figure 631371DEST_PATH_IMAGE003
进行比较，若超出阈值
Figure 745958DEST_PATH_IMAGE003
，实时循环更新调整装备运行参数，降低 地质环境耦合作用对装备状态性能的影响，实现在保证掘锚一体机安全性能下的智能掘 进。

Claims (6)

1.一种融合复杂地质环境的掘锚一体机数值耦合仿真方法，其特征在于，包括如下步骤：
S1：根据实际地质勘测数据与大数据地质信息库，利用克里金插值算法，构建掘锚一体机掘进的高保真煤岩几何模型与性能模型T；
S2：根据工程掘进要求，利用掘锚一体机截割煤岩运动特性，建立融合复杂地质环境的掘锚一体机巷道掘进耦合模型；
S3：利用S1的高保真煤岩几何模型与性能模型T与S2的掘锚一体机巷道掘进耦合模型， 构建掘锚一体机与复杂地质环境耦合的截割载荷计算模型，实时快速计算得到截割滚筒截 割载荷
Figure 334739DEST_PATH_IMAGE001
；
S4：根据S3中获得的截割载荷
Figure 477270DEST_PATH_IMAGE001
数据，实时更新输入到掘锚一体机关键部件截割大臂 的结构仿真分析模型中，并计算得到特定时刻t时，复杂地质环境对掘锚一体装备性能状态 响应值
Figure 52608DEST_PATH_IMAGE002
；
S5：建立截割大臂的性能状态响应值阈值
Figure 529857DEST_PATH_IMAGE003
，将S4步骤计算得到的截割大臂的性能状 态响应值
Figure 35793DEST_PATH_IMAGE002
与阈值
Figure 406732DEST_PATH_IMAGE003
进行比较，若超出阈值
Figure 28337DEST_PATH_IMAGE003
，实时循环更新调整装备运行参数。
2.根据权利要求1所述的融合复杂地质环境的掘锚一体机数值耦合仿真方法，其特征 在于，所述S1中高保真煤岩几何模型尺寸根据实际掘进地质环境的大小来确定尺寸参数P= （
Figure 851936DEST_PATH_IMAGE004
），高保真煤岩模型的性能模型T=[
Figure 866291DEST_PATH_IMAGE005
]，其中（x, y, z）代表不同掘进位置处的 煤岩坐标，f代表该掘进位置处的煤岩自身强度属性系数。
3.根据权利要求1所述的融合复杂地质环境的掘锚一体机数值耦合仿真方法，其特征在于，所述S2具体包括如下步骤：
S2.1：调整掘锚一体机装备与煤岩模型进行接触，掘锚一体机的截割滚筒在巷道位置进行掘进；
S2.2：建立截割滚筒的运动学模型，建立截割滚筒的截齿中心位置坐标为（
Figure 763840DEST_PATH_IMAGE006
），建 立截割滚筒上的截齿相对与滚筒中心的位置坐标为（
Figure 946560DEST_PATH_IMAGE007
），截割滚筒截割过程中按照旋 转截割方式进行切削煤岩操作，在一定时间内，设定滚筒旋转的角度为
Figure 382089DEST_PATH_IMAGE008
，在特定时刻t时， 截齿相对滚筒中心的位置为
Figure 308457DEST_PATH_IMAGE009
，截齿的实际空间位置为
Figure 263774DEST_PATH_IMAGE010
，其中
Figure 882975DEST_PATH_IMAGE011
与
Figure 104003DEST_PATH_IMAGE012
的计算如下：
Figure 709427DEST_PATH_IMAGE013
Figure 378306DEST_PATH_IMAGE014
Figure 293041DEST_PATH_IMAGE015
Figure 250633DEST_PATH_IMAGE016
Figure 518803DEST_PATH_IMAGE017
。
4.根据权利要求3所述的融合复杂地质环境的掘锚一体机数值耦合仿真方法，其特征在于，所述S3中的掘锚一体机与复杂地质环境耦合的截割载荷计算模型具体包括如下子步骤：
S3.1：利用三维线性插值算法，计算得到在截割过程中各个参与截割的截齿与煤岩接 触处的截割的截齿处煤岩强度freal
Figure 199446DEST_PATH_IMAGE012
；
S3.2：利用改进经验公式法，通过线性叠加计算得到截割滚筒截割载荷
Figure 160448DEST_PATH_IMAGE001
，根据实时碰 撞检测算法，计算得到在特定时刻t时，掘锚一体机掘进过程中参与截割煤岩的截齿数量为
Figure 543019DEST_PATH_IMAGE018
，截割滚筒的半径为
Figure 349301DEST_PATH_IMAGE019
，掘锚一体机在巷道掘进时，其截割滚筒截割载荷
Figure 648565DEST_PATH_IMAGE020
， 参与截割的截齿上截割载荷为
Figure 514889DEST_PATH_IMAGE021
，结合上述S3.1中三维线性插值计算得到的 参与截割的截齿处煤岩强度freal
Figure 447073DEST_PATH_IMAGE012
，截割滚筒截割载荷
Figure 683145DEST_PATH_IMAGE001
计算方法如下：
Figure 712281DEST_PATH_IMAGE022
Figure 359294DEST_PATH_IMAGE023
Figure 106670DEST_PATH_IMAGE024
Figure 644968DEST_PATH_IMAGE025
Figure 200714DEST_PATH_IMAGE026
Figure 674420DEST_PATH_IMAGE027
Figure 15752DEST_PATH_IMAGE028
其中，
Figure 967527DEST_PATH_IMAGE029
为滚筒第i个截齿在x方向受到的截割阻力，
Figure 643359DEST_PATH_IMAGE030
为滚筒第i个截齿在y方向受到 的截割阻力，
Figure 881442DEST_PATH_IMAGE031
为滚筒第i个截齿在z方向受到的截割阻力，
Figure 337832DEST_PATH_IMAGE032
为滚筒在x方向受到的截割阻 力，
Figure 765402DEST_PATH_IMAGE033
为滚筒在y方向受到的截割阻力，
Figure 249735DEST_PATH_IMAGE034
为滚筒在z方向受到的截割阻力，
Figure 799665DEST_PATH_IMAGE035
为滚筒在旋转 方向受到的截割阻力矩；
Figure 618717DEST_PATH_IMAGE036
为单截齿在x方向受到的截割阻力，
Figure 833666DEST_PATH_IMAGE037
为单截齿在y方向受到的 截割阻力，
Figure 280828DEST_PATH_IMAGE038
为单截齿在z方向受到的截割阻力，
Figure 142605DEST_PATH_IMAGE039
为掘锚一体机截割过程中的牵引速度，
Figure 573586DEST_PATH_IMAGE040
为掘锚一体机截割过程中的截割滚筒切削转速。
5.根据权利要求4所述的融合复杂地质环境的掘锚一体机数值耦合仿真方法，其特征 在于，所述S3.1中，根据截齿的实际空间位置
Figure 93691DEST_PATH_IMAGE012
结合地质模型中不同空间位置的煤 岩参数信息，每间隔一定的空间位置获取一个煤岩自身强度属性系数f，根据截齿的实际空 间位置
Figure 270726DEST_PATH_IMAGE012
选取空间位置附近的8个煤岩自身强度属性系数f1、f2、f3、f4、f5、f6、f7、f8， 运用三维线性插值方法计算得到截齿当前接触煤岩的截齿处煤岩强度freal
Figure 428038DEST_PATH_IMAGE012
。
6.根据权利要求1所述的融合复杂地质环境的掘锚一体机数值耦合仿真方法，其特征 在于，所述S4中复杂地质环境对掘锚一体装备性能状态响应值
Figure 267687DEST_PATH_IMAGE002
计算包含如下子步骤：
S4.1：将截割滚筒与截割大臂进行绑定，截割滚筒通过旋转轴将截割滚筒截割载荷
Figure 512854DEST_PATH_IMAGE001
传输给截割大臂；
S4.2：建立截割大臂的有限元结构仿真分析模型，设置其材料属性与边界条件，划分网 格，将S3得到的截割滚筒截割载荷
Figure 200188DEST_PATH_IMAGE001
施加到分析模型中，计算得到复杂地质环境对掘锚一 体装备性能状态响应值
Figure 951237DEST_PATH_IMAGE002
。
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Citations (8)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN103324800A (zh) * 2013-06-26 2013-09-25 山东科技大学 悬臂式掘进机截割头计算机辅助设计方法及cad系统
WO2017076958A1 (en) * 2015-11-04 2017-05-11 Schlumberger Technology Corporation Representing structural uncertainty in a mesh representing a geological environment
CN107192600A (zh) * 2017-05-18 2017-09-22 西安科技大学 一种分析工程扰动影响下煤岩强度劣化耦合特征的方法
WO2020237001A1 (en) * 2019-05-21 2020-11-26 Schlumberger Technology Corporation Geologic model and property visualization system
CN113688467A (zh) * 2021-08-27 2021-11-23 中国铁建重工集团股份有限公司 一种掘锚一体机动力学建模及仿真方法
CN114120785A (zh) * 2021-11-02 2022-03-01 北京龙软科技股份有限公司 一种煤矿掘进设备与地质模型、巷道设计模型的耦合系统
CN114329984A (zh) * 2022-01-24 2022-04-12 浙江大学 基于数字孪生的掘锚一体机实时状态映射方法
CN114673558A (zh) * 2022-04-12 2022-06-28 中国矿业大学 一种煤矿掘进工作面风险识别与智能预控系统及方法

Patent Citations (8)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN103324800A (zh) * 2013-06-26 2013-09-25 山东科技大学 悬臂式掘进机截割头计算机辅助设计方法及cad系统
WO2017076958A1 (en) * 2015-11-04 2017-05-11 Schlumberger Technology Corporation Representing structural uncertainty in a mesh representing a geological environment
CN107192600A (zh) * 2017-05-18 2017-09-22 西安科技大学 一种分析工程扰动影响下煤岩强度劣化耦合特征的方法
WO2020237001A1 (en) * 2019-05-21 2020-11-26 Schlumberger Technology Corporation Geologic model and property visualization system
CN113688467A (zh) * 2021-08-27 2021-11-23 中国铁建重工集团股份有限公司 一种掘锚一体机动力学建模及仿真方法
CN114120785A (zh) * 2021-11-02 2022-03-01 北京龙软科技股份有限公司 一种煤矿掘进设备与地质模型、巷道设计模型的耦合系统
CN114329984A (zh) * 2022-01-24 2022-04-12 浙江大学 基于数字孪生的掘锚一体机实时状态映射方法
CN114673558A (zh) * 2022-04-12 2022-06-28 中国矿业大学 一种煤矿掘进工作面风险识别与智能预控系统及方法

Non-Patent Citations (4)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Title
张君等: "矿用锚杆钻机机械臂动力学不确定性分析", 《煤炭学报》 *
赵丽娟等: "纵轴式掘进机振动特性研究", 《振动与冲击》 *
马昭: "煤矿井下巷道掘进与支护同步作业技术及装备研究", 《煤矿机械》 *
麻成标: "掘锚一体机截割部切削载荷特性研究", 《铁道建筑技术》 *

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