CN114880910B - 融合复杂地质环境的掘锚一体机数值耦合仿真方法 - Google Patents
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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
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;
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=(),高保真煤岩模型的性能模型T=[],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(
),建立截割滚筒上的截齿相对与滚筒中心的位置坐标为(),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,在特定时
刻t时,截齿相对滚筒中心的位置为,截齿的实际空间位置为,其中
与的计算如下:
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:
S3.2: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,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,截割滚筒的半径为,掘锚一体机在巷道掘进时,其截割滚筒截割载荷,参与截割的截齿上截割载荷为,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 ,截割滚筒截割载荷
计算方法如下:
其中,为滚筒第i个截齿在x方向受到的截割阻力,为滚筒第i个截齿在y方
向受到的截割阻力,为滚筒第i个截齿在z方向受到的截割阻力,为滚筒在x方向受到
的截割阻力,为滚筒在y方向受到的截割阻力,为滚筒在z方向受到的截割阻力,为
滚筒在旋转方向受到的截割阻力矩;为单截齿在x方向受到的截割阻力,为单截齿在y
方向受到的截割阻力,为单截齿在z方向受到的截割阻力,为掘锚一体机截割过程中的
牵引速度,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 。
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;
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=(),高保真煤岩模型的性能模型T=[],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(),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(),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,则在特定时刻t
时,截齿相对滚筒中心的位置为,截齿的实际空间位置为,其中与的计算如下:
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 ;
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,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,截割滚筒的半径为,掘锚一体机在巷道掘进时,其截割滚筒截割载荷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,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 ,截割滚筒截割载荷计算方法如下:
其中,为滚筒第i个截齿在x方向受到的截割阻力,为滚筒第i个截齿在y方
向受到的截割阻力,为滚筒第i个截齿在z方向受到的截割阻力,为滚筒在x方向受到
的截割阻力,为滚筒在y方向受到的截割阻力,为滚筒在z方向受到的截割阻力,为
滚筒在旋转方向受到的截割阻力矩;为单截齿在x方向受到的截割阻力,为单截齿在y
方向受到的截割阻力,为单截齿在z方向受到的截割阻力,为掘锚一体机截割过程中的
牵引速度,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。
Claims (4)
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;
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(),建
立截割滚筒上的截齿相对与滚筒中心的位置坐标为(),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,在特定时刻t
时,截齿相对滚筒中心的位置为,截齿的实际空间位置为,其中与的计算如下:
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:
S3.2: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,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,截割滚筒的半径为,掘锚一体机在巷道掘进时,其截割滚筒截割载荷,参与截割的截齿上截割载荷为,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 ,截割滚筒截割载荷
计算方法如下:
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