冲击载荷作用下岩石破碎数值模拟及试验研究(精)
冲击荷载下岩石强度及破碎能耗特征的尺寸效应研究的开题报告
冲击荷载下岩石强度及破碎能耗特征的尺寸效应研究的开题报告一、研究背景及意义岩石是地质工程中最基础的构成材料之一，其强度和破碎特性是地质工程设计和施工的重要参数。
在工程实践中，岩石的强度和破碎特性受到多种因素的影响，其中最常见的因素是加载速率和加载方式。
在爆炸、地震、冲击载荷等复杂环境中，岩石受到的冲击荷载会远远超过静态载荷，导致其应力状态、强度及破碎特性发生显著变化，这对地质工程施工和安全性构成一定的威胁。
因此，对岩石在冲击荷载下的强度及破碎能耗特征进行研究，对地质工程领域具有极为重要的意义。
此外，岩石的尺寸对其强度及破碎特性也具有重要影响，而这种影响与材料的尺寸效应有关。
在工程实践中，通常使用标准试件进行强度和破碎实验，但实验结果与实际往往存在一定的差异，因此需要对试件尺寸效应进行深入研究。
同时，根据实验结果制定合理的尺寸因素修正方法，可以有效提高岩石强度和破碎特性的预测准确性，为地质工程设计和施工提供可靠的参考依据。
二、研究内容和方法本研究拟对岩石冲击荷载下的强度及破碎能耗特征，以及试件尺寸效应进行研究，具体内容和方法如下：1. 岩石冲击荷载下的强度及破碎能耗特征研究该部分主要研究冲击荷载对岩石强度和破碎特性的影响，并分析其机理。
实验方法将采用冲击试验和压缩试验相结合的方式，研究不同冲击载荷下岩石的强度和能耗特征。
2. 试件尺寸效应研究该部分主要通过试件尺寸变化对强度及破碎特性的影响进行研究，并考察其机理。
实验方法将采用不同尺寸试件进行压缩试验，并通过试件尺寸效应修正方法，对预测结果进行比较和分析。
三、研究预期成果本研究旨在探究岩石冲击荷载下的强度及破碎能耗特征，以及试件尺寸效应的影响规律和机理，预期取得以下成果：1. 分析不同冲击载荷下岩石的强度及破碎能耗特征，研究其变化规律和机理。
2. 探究试件尺寸对岩石强度及破碎特性的影响，制定合理的尺寸修正方法，提高预测准确性。
3. 对岩石冲击荷载下的强度及破碎能耗特征等方面的研究结果，为地质工程设计和施工提供可靠依据，为工程安全保障提供支撑。
《冲击荷载下岩石切削破碎能量耗散特征分析》范文
《冲击荷载下岩石切削破碎能量耗散特征分析》篇一一、引言在岩石工程中，冲击荷载下的岩石切削破碎是一个复杂的物理过程。
随着工程技术的发展，对于岩石的破碎效率和效果的要求不断提高。
而要研究并提升破碎效率，关键在于深入理解岩石在受到冲击荷载时能量耗散的特征。
本文以这一需求为出发点，对冲击荷载下岩石切削破碎的能量耗散特征进行详细分析。
二、冲击荷载下岩石切削破碎的基本原理在冲击荷载作用下，岩石的切削破碎过程主要涉及到冲击力、切削力和岩石内部的应力分布等多个方面。
其中，冲击力能够引发岩石的应力波传播，产生局部破碎；而切削力则直接影响到岩石的切削效果和破碎粒度。
这两种力的作用相互影响，共同决定了岩石的破碎效果。
三、能量耗散的特征分析（一）能量耗散的形式在冲击荷载下，岩石切削破碎过程中的能量耗散主要表现在以下几个方面：一是由于材料变形和破碎引起的能量转化；二是由于摩擦和接触损耗导致的能量损失；三是由于热能产生导致的能量损失。
这些形式的能量耗散都直接影响着破碎过程的效率和效果。
（二）能量耗散的分布特点在岩石切削破碎过程中，能量耗散的分布是不均匀的。
一般来说，冲击力作用区域和切削力作用区域的能量耗散较为集中，而其他区域的能量耗散则相对较小。
此外，随着破碎过程的进行，能量耗散的分布也会发生变化，这主要是由于岩石内部应力分布的变化所导致。
（三）能量耗散与破碎效果的关系能量耗散与破碎效果之间存在着密切的关系。
一般来说，能量耗散越大，岩石的破碎效果越好。
但是，过大的能量耗散也会导致设备能耗增加，降低工作效率。
因此，如何在保证破碎效果的同时降低能量耗散，是提高岩石切削破碎效率的关键。
四、实验研究与分析为了更好地研究冲击荷载下岩石切削破碎的能量耗散特征，我们进行了大量的实验研究。
通过实验数据的分析，我们发现：在不同类型的岩石中，能量耗散的分布和形式存在差异；在切削速度和切削深度不同的条件下，能量耗散的大小和分布也会发生变化；此外，切削工具的材质和形状也会对能量耗散产生影响。
《冲击荷载下岩石切削破碎能量耗散特征分析》
《冲击荷载下岩石切削破碎能量耗散特征分析》篇一一、引言在矿山开采、岩石工程以及地下工程等众多领域中，岩石的切削破碎是一项重要而复杂的工作。
尤其是在冲击荷载的作用下，岩石的破碎过程涉及到的力学特性和能量耗散机制成为研究的热点。
本文旨在分析冲击荷载下岩石切削破碎过程中的能量耗散特征，为相关工程提供理论依据和指导。
二、岩石切削破碎的基本原理岩石的切削破碎是指在一定外力作用下，岩石发生破裂、破碎的过程。
这个过程涉及到了多种物理、化学和力学作用。
冲击荷载作为其中的一种重要外力形式，对岩石的破碎效果和能量耗散有着显著的影响。
三、冲击荷载下岩石切削破碎的能量耗散过程在冲击荷载的作用下，岩石的切削破碎过程是一个复杂的能量转换和耗散过程。
这个过程包括冲击能量的输入、岩石内部结构的破坏、破碎产物的形成以及能量的释放和耗散等环节。
其中，能量的耗散主要发生在岩石内部结构的破坏和产物的形成过程中。
四、能量耗散的特征分析1. 能量输入与输出的关系：在冲击荷载下，输入的能量一部分被用来破坏岩石的内部结构，另一部分则转化为热能、声能等形式耗散。
这两部分能量的比例受到多种因素的影响，如岩石的物理性质、冲击速度等。
2. 能量耗散的阶段特征：在岩石切削破碎的过程中，能量耗散呈现出明显的阶段性特征。
初期阶段主要是岩石内部结构的微小破坏和能量吸收；随着冲击的继续，岩石内部结构发生大规模破坏，能量耗散速度加快；最后阶段则是破碎产物的形成和能量的最终释放。
3. 影响因素分析：岩石的物理性质（如硬度、脆性等）、冲击速度、温度等因素都会对能量耗散产生影响。
例如，硬度较高的岩石需要更多的能量才能发生破坏，而冲击速度的增加会加快能量耗散的速度。
五、实验研究与数据分析通过实验研究和数据分析，我们可以更深入地了解冲击荷载下岩石切削破碎的能量耗散特征。
实验中，我们可以采用高速摄像机记录破碎过程，同时通过传感器记录能量的输入和输出。
通过对实验数据进行分析，我们可以得出以下结论：1. 不同类型和性质的岩石在受到相同冲击荷载时，其能量耗散特征存在显著差异。
冲击作用下岩石裂纹长度预测模型及数值模拟研究_邓勇
·４２ ·
石 油 钻 探 技 术
２０１６ 年 ７ 月
规 律 与 特 点 进 行 了 研 究［４－９］，并 对 岩 石 在 冲 击 力 作 用 下 的 力 学 性 能 进 行 了 相 关 研 究［１０］，还 有 学 者 对 岩石破碎过程中破碎体的形成机制进行了模拟研 究 ，但 ［１１－１２］ 大 多 数 研 究 只 是 获 得 岩 石 动 态 破 碎 特 征 及 破 碎 机 理 的 一 些 定 性 结 论 ，而 对 岩 石 在 冲 击 力作用下的裂纹演化规律及裂纹长度定量分析模 型的研究相对较少。
） ＋ｓＤ
（ｔＤ
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式（６）的有效区间为 ０≤ｔＤ≤β，其中β＝２ ＫＡＥＬＨ ，
且ｄｓＤ（ｔＤ ｄｔＤ
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ｕｎｄｅｒ Ｉｍｐａｃｔ Ｌｏａｄ
ＤＥＮＧ Ｙｏｎｇ１，２，ＣＨＥＮ Ｍｉａｎ１，２，ＪＩＮ Ｙａｎ１，２，ＬＵ Ｙｕｎｈｕ１，２，ＺＯＵ Ｄａｉｗｕ１，２
（１．Ｃｏｌｌｅｇｅ ｏｆ Ｐｅｔｒｏｌｅｕｍ Ｅｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ，Ｃｈｉｎａ Ｕｎｉｖｅｒｓｉｔｙ ｏｆ Ｐｅｔｒｏｌｅｕｍ （Ｂｅｉｊｉｎｇ），Ｂｅｉｊｉｎｇ，１０２２４９， Ｃｈｉｎａ；２．Ｓｔａｔｅ Ｋｅｙ Ｌａｂｏｒａｔｏｒｙ ｏｆ Ｐｅｔｒｏｌｅｕｍ Ｒｅｓｏｕｒｃｅｓ ａｎｄ Ｐｒｏｓｐｅｃｔｉｎｇ（Ｃｈｉｎａ Ｕｎｉｖｅｒｓｉｔｙ ｏｆ Ｐｅｔｒｏｌｅｕｍ （Ｂｅｉｊｉｎｇ）），Ｂｅｉｊｉｎｇ，１０２２４９，Ｃｈｉｎａ）
（１．中国石油大学（北京）石油工程学院，北京 １０２２４９；２．油气资源与探测国家重点实验室（中国石油大学（北京）），北京 １０２２４９）
强冲击荷载下岩石破坏三维数值模拟
强冲击荷载下岩石破坏三维数值模拟
张华;陈龙伟;李刚;汪旭光
【期刊名称】《工程爆破》
【年(卷),期】2010(016)002
【摘要】采用基于有限差分的拉格朗日、欧拉相结合的方法,对强荷载冲击下岩石材料破坏进行了数值模拟.在欧拉步中引入模糊方法处理界面,考虑了岩石材料、金属材料、空气的多物质场,给出了模拟结果和几个关键点的压力曲线.对强冲击荷载下岩石破坏研究具有重要的意义.
【总页数】5页(P1-5)
【作者】张华;陈龙伟;李刚;汪旭光
【作者单位】昆明理工大学国土资源工程学院,昆明,650093;昆明理工大学国土资源工程学院,昆明,650093;云南财经大学统计与数学学院,昆明,650221;昆明理工大学国土资源工程学院,昆明,650093;昆明理工大学国土资源工程学院,昆明,650093;北京矿冶研究总院,北京,100044
【正文语种】中文
【中图分类】O353.2;TD235.4+7
【相关文献】
1.冲击荷载下混凝土破坏过程的数值模拟 [J], 张德海;毛苏毅
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3.冲击荷载作用下灰砂岩破坏过程及损伤数值模拟研究 [J], 张明涛; 王伟; 张思怡;
刘亚男
4.强冲击荷载下岩石材料断裂及破碎机制研究 [J], 马运通
5.冲击荷载作用下岩石破坏机理预测 [J], 葛涛;王明洋;侯晓峰
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岩石破碎与破裂行为的数值模拟
岩石破碎与破裂行为的数值模拟随着科技的不断发展，数值模拟在各个领域都得到了广泛的应用。
在岩石力学领域，数值模拟可以帮助我们了解岩石的破碎与破裂行为，为工程设计和地质灾害预测提供依据。
岩石是由许多颗粒组成的，这些颗粒之间以不同的方式相互联系。
在外界的作用下，岩石可能会发生破碎和破裂。
为了研究这些现象，我们需要将岩石的物理特性和数学模型相结合，进行数值模拟。
首先，我们需要了解岩石的物理特性。
岩石具有各种力学参数，如抗拉强度、抗压强度、断裂模量等。
这些参数可以通过实验测量得到，然后输入到数值模拟程序中。
接下来，我们需要建立数值模拟的数学模型。
常用的数值模型包括有限元法、离散元法和连续介质力学模型等。
这些模型基于不同的假设和数学原理，可以用来描述岩石的破碎与破裂行为。
有限元法是最常用的数值模拟方法之一。
它将岩石划分为许多小的单元，并根据岩石的物理特性和边界条件，求解出每个单元的位移和应力分布。
通过对岩石内部各个位置的位移和应力进行计算和分析，可以得到岩石的破裂和破碎过程。
离散元法是另一种常用的数值模拟方法，它将岩石中的每个颗粒都看作一个独立的个体，通过计算颗粒之间的相互作用力，来模拟岩石的破裂和破碎行为。
与有限元法相比，离散元法更适用于描述岩体中存在大量颗粒的情况。
除了有限元法和离散元法，连续介质力学模型也被广泛应用于岩石破碎与破裂行为的数值模拟。
这种模型假设岩石是一个连续的介质，通过求解岩石的运动方程和应力平衡方程，得到岩石的变形和破碎情况。
通过数值模拟，我们可以观察到岩石的破裂和破碎行为，以及内部应力和位移的分布情况。
这些信息对于工程设计和地质灾害预测都非常重要。
例如，在隧道开挖工程中，我们可以通过数值模拟来评估岩石的稳定性，进而确定开挖的方法和参数。
在地震预测中，数值模拟可以帮助我们了解地震波在岩石中传播和扩散的过程，提供地震烈度和震源机制的预测。
当然，数值模拟也有一些局限性。
首先，数值模拟需要大量的计算资源和时间。
《2024年冲击荷载下岩石切削破碎能量耗散特征分析》范文
《冲击荷载下岩石切削破碎能量耗散特征分析》篇一一、引言在岩石工程中，冲击荷载下的岩石切削破碎是一个常见的现象，对于矿山开采、隧道掘进等工程具有极其重要的意义。
理解并分析这一过程中的能量耗散特征，不仅有助于优化岩石破碎工艺，还能为提高生产效率和降低成本提供科学依据。
本文将通过分析冲击荷载下岩石切削破碎的能量耗散特征，探讨其内在规律和影响因素。
二、冲击荷载下岩石切削破碎的基本原理在冲击荷载作用下，岩石切削破碎的过程涉及到多种物理机制。
首先，冲击力使岩石产生应力集中，当应力超过岩石的强度极限时，岩石发生破裂。
同时，切削工具与岩石的相互作用产生热能，影响岩石的破碎过程。
这一过程中，能量以多种形式耗散，包括塑性变形能、热能、振动能等。
三、能量耗散的特征分析（一）塑性变形能塑性变形能是冲击荷载下岩石切削破碎的主要能量耗散形式之一。
在切削过程中，岩石发生塑性变形，吸收大量能量。
塑性变形能的耗散与岩石的力学性质、切削工具的几何形状和切削速度等因素密切相关。
（二）热能切削过程中，由于摩擦和剪切作用，会产生大量的热能。
这些热能以热传导、热辐射等形式耗散。
热能对岩石的破碎效果和切削工具的磨损有重要影响。
（三）振动能在冲击荷载作用下，岩石破碎过程中会产生振动。
这种振动能量以声波或机械波的形式传播，并在一定程度上影响破碎效果和周围环境的稳定性。
四、影响因素分析（一）岩石性质不同种类的岩石具有不同的力学性质和破碎特性，因此其能量耗散特征也存在差异。
例如，硬岩和软岩在切削破碎过程中的能量耗散规律有明显区别。
（二）切削工具切削工具的几何形状、硬度、耐磨性等因素都会影响切削过程中的能量耗散。
合理的选择和使用切削工具能够有效地降低能量耗散，提高生产效率。
（三）切削速度和方式切削速度和方式对能量耗散具有显著影响。
较高的切削速度可能增加热能和振动能的耗散，而不同的切削方式（如单向切削、双向交叉切削等）也会影响能量的分布和耗散规律。
五、结论通过对冲击荷载下岩石切削破碎的能量耗散特征进行分析，可以得出以下结论：1. 塑性变形能、热能和振动能是冲击荷载下岩石切削破碎的主要能量耗散形式。
《冲击荷载下岩石切削破碎能量耗散特征分析》
《冲击荷载下岩石切削破碎能量耗散特征分析》篇一一、引言在岩石工程中，冲击荷载下的岩石切削破碎是一个复杂而又关键的过程。
了解并掌握这一过程中能量耗散的特征，对于提高岩石破碎效率、减少能源消耗具有重要意义。
本文将就冲击荷载下岩石切削破碎的能量耗散特征进行分析，以期为相关研究提供参考。
二、研究背景及意义随着工程建设的不断发展，岩石切削破碎技术已成为岩土工程、矿山工程、隧道工程等领域中不可或缺的一环。
在冲击荷载作用下，岩石切削破碎涉及到众多复杂因素，如切削工具的材质、形状、速度等，以及岩石的物理性质、结构特点等。
这些因素均会影响到切削过程中的能量耗散特征。
因此，对冲击荷载下岩石切削破碎的能量耗散特征进行分析，有助于优化切削工艺，提高破碎效率，降低能耗，具有十分重要的理论意义和实际应用价值。
三、能量耗散特征分析（一）理论分析在冲击荷载下，岩石切削破碎过程中的能量耗散主要包括切削力做功、热能产生、振动能量损失等部分。
其中，切削力做功是主要的能量耗散形式，它与切削工具的材质、形状、速度等密切相关；热能产生主要由摩擦和塑性变形引起；振动能量损失则与切削过程中的振动有关。
这些能量耗散形式相互影响，共同决定了整个切削过程的能量耗散特征。
（二）实验研究为了更深入地了解冲击荷载下岩石切削破碎的能量耗散特征，我们进行了大量的实验研究。
实验结果表明，在切削过程中，随着切削深度的增加，切削力做功逐渐增大，热能产生和振动能量损失也相应增加。
此外，不同岩石类型的能量耗散特征也存在差异，这主要与岩石的物理性质、结构特点等有关。
（三）数值模拟分析除了实验研究外，我们还采用了数值模拟的方法对冲击荷载下岩石切削破碎的能量耗散特征进行了分析。
数值模拟结果与实验结果基本一致，进一步验证了我们的分析。
通过数值模拟，我们可以更直观地了解切削过程中的能量流动和转换，为优化切削工艺提供有力支持。
四、结论与展望通过对冲击荷载下岩石切削破碎的能量耗散特征进行分析，我们得出以下结论：1. 切削力做功是冲击荷载下岩石切削破碎过程中主要的能量耗散形式；2. 热能产生和振动能量损失随切削深度的增加而增大；3. 不同岩石类型的能量耗散特征存在差异；4. 通过实验和数值模拟方法可以有效地分析冲击荷载下岩石切削破碎的能量耗散特征。
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0引言花岗岩是钨矿围岩中常见的一种岩石。
目前许多钨矿矿山为了延长矿山服务年限,急需加强矿山外围和深部勘探,这就需要进行大量的矿岩破碎工程。
冲击载荷作用下破碎岩石是目前运用较为广泛的一种破岩方法,但其破岩机理还有待进一步研究。
近年来,非线性科学中的分形理论、系统科学中的突变理论和数值模拟方法等现代科学理论开始渗入岩石破碎研究领域[1-5],取得了一些成果。
但是,分形理论在岩石破碎中主要被用于研究破碎块度,无法建立破碎结果与破碎的物理机制之间的相互关系;突变理论主要研究系统参数发生微小变化后结构的稳定与否,它在岩石破碎领域的应用目前主要局限于地震与岩爆等由缓慢变形到突然破裂的现象,尚没有用于研究凿岩等由于冲击载荷产生的破坏现象;数值模拟方法是用来沟通理论模型和实验研究的桥梁,但岩石的本构模型准确性、客观性以及岩石性质参数和边界条件还需要加以研究。
因此冲击载荷破岩的数值模拟与试验研究相接合对丰富冲击破岩理论具有重要意义。
1冲击载荷破岩特点1.1岩石断裂形态如图1所示,压头侵入硬岩时一般产生径向、中间和侧向裂纹,同时在压头下方还会形成一个密实核,在钠玻璃上进行侵入试验表明,形成的密实核近似于半球形,其主要特征是发生了剪切变形[6]。
由此可看出侧向裂纹是从剪切变形区底部起裂的。
侧向裂纹一般在卸载过程产生并扩展,中间裂纹产生于加载过程,并在卸载过程有部分弹性恢复;径向裂纹既可产生于加载过程,又可出现在卸载期间,但不论何时产生都在卸载过程继续发展。
1.2冲击破岩特点岩石在冲击载荷作用下将引起应力波在岩石中的传播。
对应力波的描述包括频谱(即频率分布、能量分布、波速、波长等,同时岩石中裂纹或缺陷也有尺寸分布或谱图,这样便能根据载荷作用特点与具体岩石对象确定微观与细观以及宏观尺度的划分标准,并找出分析重点,从而采用相应的方法来对其动态破坏过程进行研究。
典型的冲击载荷有机械冲击载荷与爆炸冲击载荷。
机械冲击是动能传播到一个系统,其发生传递的时间比该系统的自由振动周期要短。
冲击载荷的这种短暂特征,意味着在材料中会产生很高的应变文章编号:1009-0622(200705-0005-05冲击载荷作用下岩石破碎数值模拟及试验研究谢世勇1,王艳霞2,赵伏军3(1.赣州有色冶金研究所,江西赣州341000;2.河北工业大学电气与自动化学院,天津300130;3.湖南科技大学能源与安全工程学院,湖南湘潭411201摘要:运用数值模拟方法研究了冲击载荷作用下的岩石微观结构特性变化,通过对岩石内部应力分布及裂纹分布图可以得出冲击载荷破岩时岩石内部在垂直方向产生一个拉应力区和一个压应力区,刀具下方的拉应力最大;中间裂纹扩展速度比径向和侧向裂纹都要快,裂纹面呈三角形状。
在多功能试验装置上对花岗岩进行冲击载荷破岩试验,试验结果表明:单纯提高冲击载荷对破岩效果不会有很大的提高,存在一个最佳破岩冲击能(63J。
关键词:冲击载荷;岩石破碎;数值模拟;试验研究中图分类号:TU457文献标识码:A收稿日期:2007-08-21作者简介:谢世勇(1982-,男,江西南康人,硕士,从事矿山地压控制、矿岩破碎等方向研究。
压头密实核径向裂纹侧向裂纹中间裂纹图1侵入断裂形态第22卷第5期2007年10月Vol.22,No.5Oct.2007China Tungsten Industry第22卷速率,对材料的变形破碎行为和机制产生重大影响。
爆炸冲击载荷比机械冲击载荷的强度要高得多。
爆炸发生以后,气体产生的压力瞬间可达到一万多个兆帕,温度达到几千度,在高温高压的作用下,临近岩石受到强烈压缩,颗粒被压碎,甚至发生液化和汽化。
岩石因受爆炸产物的挤压而向外运动,形成一个空腔,同时在岩石中产生一种强冲击波向外传播。
随着传播距离的增加,波阵面压力下降,不再引起岩石结构的破坏,而只产生质点的振动,这就是爆炸引起的地震效应[7]。
M.P.马弗柳托夫[8]采用直径1.95mm的压头做了自由落体冲击岩石的试验,他研究了动载荷冲击岩石时的破碎问题,其结果如图2所示。
曲线1是当冲击功不大时,在岩石表面只能见到压头冲击的痕迹, 围绕压头边缘出现裂纹带;曲线2是当冲击功增加到一定值时,载荷达到第一极大值,压头底下的岩石发生与静载荷相似的破碎,称为第一次大体积破碎(剪切体崩离,主压力体压碎;曲线3是当冲击功大于产生第一次大体积破碎的能量,使得压头侵入深度增加;曲线4是当冲击功相当大时,载荷达到第二极大值,岩石产生第二次大体积破碎。
依次循环。
由上述分析可知,动载荷破岩同样具有跃进式的特点。
冲击破碎主要适用于脆性和弹脆性岩石,岩石的脆性愈明显、愈坚硬,破碎时的载荷极大值就愈大。
脆性岩石在外载荷达到极大值后产生破裂或大体积破碎,而弹塑性岩石在破坏后仍有部分强度,在一定的外部作用下方可产生体积破碎。
2数值模拟2.1岩石及PDC刀具模型岩石及PDC刀具均采用三维实体建模,动静组合破岩试验的花岗岩试件尺寸为1000mm×500mm×500mm,PDC刀具的规格是"13.4mm×15mm。
刀具的模型采用实际尺寸建模,由于岩石受刀具影响范围较小,所以取刀具与岩面接触正下方的100mm×50mm×50mm范围建模。
花岗岩试件和PDC刀具的力学参数见表1和2,划分网格后的岩石及刀具模型见图3。
表1花岩石试件的力学参数表2刀具材料的物理力学性能(a模型整体三维视图网格(b刀具与岩面接触点放大网格(c模型整体二维视图网格(d刀具与岩面接触点放大网格图3岩石与PDC刀具模型网格2.2加载与求解在试验中,刀具刀刃的锐边圆弧(即锋利的边缘与岩面接触,在模拟中为了简化运算,现假设刀具与岩面接触为点面接触,且在加载过程中刀具只有垂直方向的位移,无水平移动,即不存在切削现象。
由于只考虑施加单轴冲击载荷(48、63、78J,所以分析类型选择瞬态求解(Transient,加载时间为0.0002s(中等应变速率。
只需将岩石模型的底面施加位移约束(即x、y、z3个方向都约束,模型前后左右4个面为自由面。
冲击载荷直接施加在刀具与岩面相接触的节点上,设定100个子步,最小子步为50,最大子步为100,为了便于收敛,打开自动调整时间积分步长。
2.3结果分析为了分析在单轴冲击载荷作用下试件的垂直应力和裂纹分布随子载荷步变化的情况,选取具有代表性的子载荷步计算结果来分析。
图4为冲击能48J作用下各子载荷步在垂直方向上的应力等值线分布云图,图5为各子载荷步产生的裂纹分布图,图6为不同冲击能(48、63、78J时裂纹分布图。
体积密度g/mm3抗压强度MPa抗拉强度MPa弹性模量GPa泊松比2.640167.518.6670.21 密度g/mm3努普硬度GPa抗弯强度GPa抗压强度GPa断裂韧性弹性模量GPa泊松比耐磨性3.5250￣800.6￣1.17￣87￣9560￣8000.08250 24600.51.01.52.02.51234P/kNh/min图2岩石冲击力与浸深关系6第5期(1在冲击载荷作用的初期,即在第1载荷步的时候,此时在垂直方向产生比较大范围的压应力,拉应力集中出现在刀具的下方,但还不足以使岩石产生裂纹,如图4所示。
(2在第2载荷步时,此时垂直方向在刀具与岩面接触点的下方出现一个较大的拉应力区,如图4所示,裂纹最先在刀具与岩面接触点下方开始产生,但裂纹分布面较小,如图4和图5所示。
(3从第8载荷步开始,刀具下方的压应力进一步增大,同时拉应力也相应增大,岩石裂纹面进一步扩大,裂纹扩展迅速,形成较大面积的破碎,并且裂纹往深部比往两侧扩展要快,如图4和图5所示。
(4到第27载荷步时,应力分布较为稳定,在垂直方向产生一个拉应力区和一个压应力区,刀具下方的拉应力最大,裂纹扩展形成一个较稳定的“三角形”裂纹面,如图5所示。
第1步第2步第10步第12步第21步第27步图448J 冲击能垂直方向应力等值线云图图548J 冲击能作用下各子载荷步产生的裂纹分布图6不同冲击能时裂纹分布第2步第8步第10步第12步第21步第27步48J 63J 78J谢世勇,等:冲击载荷作用下岩石破碎数值模拟及试验研究7第22卷(5从图5和图6中可以看出,裂纹首先产生在刀具与岩面接触点上,然后中间裂纹扩展最快,径向裂纹比侧向裂纹扩展要快,岩石表面破碎较快;冲击载荷作用下岩石内部裂纹形成的破碎角较小;随着冲击载荷的增加,裂纹分布的深度增加较快,两侧的扩展则较缓慢,裂纹分布的面积也随即增加,但裂纹面积在63J时增加较快。
3试验研究3.1试验装置该装置主要由轴向静压加载装置、落锤冲击加载装置、刀具及夹具装置和测试系统等部分组成[9-10], 如图7所示。
图7多功能破岩试验台结构图1-机架;2-轴向加压油缸;3-冲击杆传动装置;4-冲击杆;5-升降横梁;6-刀具夹;7-冲击调速电机;8-皮带传动装置; 9-轨轮车;10-岩样;11-导轨冲击加载机构或冲击杆传动装置主要组成部件为机架、调速电机、皮带传动机构、齿轮传动机构、链轮传动机构、托销、冲击杆(锤、配重等。
刀具安装机构通过法兰盘及螺栓固定在升降横梁上,主要由刀头、碟形弹簧、刀具杆、传感器(分别测量静载荷和冲击应力波等组成。
在升降横梁板上可安装多把刀具同时破碎岩石,也可变换刀具夹安装滚刀或其他刀具破岩。
选用湖南飞碟新材料有限公司生产的圆柱形聚晶金刚石复合片(PDC压头,规格见表2。
3.2试验方法和步骤本试验中冲击高度为300mm,冲击能分别为48、63、78J。
每次破碎岩石之后,清除岩粉,测量破碎坑体积,每一试验重复3次,取其平均值。
试验完成后,采用DH3840应变放大器(动态应变仪和DH5932数据采集仪记录和分析试验数据。
实验步骤如下:(1将试验前制作好的花岗岩试件吊放在轨轮车平台上,在台面与试样之间放置不同规格的钢架,以随时调节试样高度。
(2试验参数设置。
花岗岩的冲击高度为300mm,加载波形为似正弦波,幅值设置超过试件的估计强度值。
因为存在动态实验,所以选择动载频率和数据采样频率高的数据采集/处理系统。
(3启动各加载设备,以不同能级的冲击能来实现冲击破岩的试验,获得各个对应的侵入深度、破岩体积等,以侵入深度、破岩体积和比能耗来评价破岩效果。
(4设置极限保护以保障设备安全。
3.3试验结果及分析岩石的破碎效果以破碎体积和破碎比能(即破碎单位体积岩石所消耗的能量来度量,由表3的试验结果可计算出破碎比能。
破碎比能[11]由公式(1确定: E S=W/V(1式中:ES为破碎比能,J/mm3;V为破碎岩石体积,mm3;W为冲击能量,J。
而W=P u/2式中:P为作用在刀具上的力,用WOB表示,N;u为刀具切削深度,m。