XII Международная студенческая научная конференция Студенческий научный форум - 2020
Взаимодействие инструмента с породой – уточненное решениена основе конечно-элементного моделирования
КомментарииПолная версия работы доступна во вкладке "Файлы работы" в формате PDF
Данная задача решается для моделирования взаимодействия инструмента с породой, что не обходимо для буровых проходческих и очисных машин в горном деле. В данном случай рассматривается конусный инструмент.
Препроцессор Ansys позволяет не только создавать геометрические модели собственными средствами, но импортировать уже готовые, созданные средствами CAD-систем. Геометрическая модель в дальнейшем может быть модифицирована любым образом, поскольку имеет код и исходные данные, которые легко изменить. Пользователь может удалять несущественные мелкие подробности, достраивать определенные детали, проводить сгущение/разрежение сетки и другие важнейшие операции, без которых дальнейшее решение может быть совершенно некорректно или вообще окажется недостижимым. Ansys в данном случае позволяет решать проблемы прочности, описывая процесс взаимодействия инструмента и породы.Оптимизация взаимодействия, таким образом, может вестись с учетом всего многообразия физических воздействий на нее.
МЕТОДИКА РАСЧЕТА ВЗАИМОДЕЙСТВИЯ ОБЪЕКТОВ И ЕЕ ИСПОЛЬЗОВАНИЕ В НОВЫХ ТЕХНОЛОГИЯХ ВЫЕМКИ С ПРИМЕНЕНИЕМ ПОВОРОТНЫХ КОНВЕЙЕРОВ
1.1 Особенности расчета взаимодействия объектов
Взаимодействие объектов важная часть исследовательской работы и чаще всего она рассматривается как макромоделирование работы элементов машин или иных механических систем. Поэтому имеют место уравнения динамики, например представленные в [1]. Решения прикладных задач на их основе чаще всего сводятся к применению графоаналитического метода Артоболевского в электронных таблицах, в пакетах Мatlab. В последние годы особую популярность приобретает американский пакет ADAMS,который при своей простоте, позволяет моделировать достаточно сложные случаи взаимодействия деталей машин за счет линеаризации уравнений динамики. Но использование классического макроподхода не всегда оправдано и вначале некоторые задачи лучше рассмотреть в статических приближениях. Это позволяет понять основные этапы взаимодействия машины и даже сложные случаи такой проблемы как контактирование. Поэтому вначале рассмотрим вопросы нагружения блока породы конусным инструментом, попытавшись рассмотреть проблемы которые имеет исследователь работы исполнительных органов горных машин: буровых станков, очистных и проходческих комбайнов и стругов.
При внедрении инструмента происходит образование пластического ядра шаровой формы, в которой превышен предел прочности, и он находиться в состоянии, которое сравнивают с жидкостью (псевдожидкость), по мере увеличения глубины внедрения инструмента она «обтекает» инструмент и форма объема нового образования близка к форме внедрившейся части инструмента. Моделирование этого процесса на основе МКЭ возможно дискретным образом. Т.е. глубина внедрения моделируется малыми шагами, а форма пластической зоны упрощенно выбирается подобной самому инструменту. Очевидно, что для понимания полученных результатов моделирования блока или керна породы, необходимо сформулировать гипотезу разрушения и построить теорию для прогнозирования трещин. При этом вначале можно использовать достаточно простые предположения, а полученный программно-вычислительный комплекс выполнить структурно таким, что бы он допускал совершенствование своих параметров, т.е. был модульным. На рисунке 1.1 схема моделирования.
В такой постановке увеличение глубины внедрения должно доводиться до тех пор, пока не будет достигнуто разрушение образца. При этом в каждом шаге можно получать НДС его состояния.
Для определенного вида пород в качестве гипотезы разрушения могут приниматься различные
предположения и одно из них в достижении на контуре образца предельного растягивающег
Рисунок 1.1 - Схема модели: 1 – давление на основание инструмента; 2 – инструмент; 3- пластическое ядро; 4 – зона интенсивных напряжений с построенной мелкой сеткой; 5 – керн или блок породы.
Для ускорения этого процесса создаем аналогичный первому конусу объем большего диаметра. Ниже приведен текст программ на языке А, который близок к Fortran. Отметим, что применение кодового моделирования имеет основное преимущество в том, что по сравнению с проектированием в меню, затраченное время на преобразование модели под иные условия (размеры и даже формы инструмента) существенно меньше, причем для опытного пользователя это верно даже при первичном кодовом построение, когда практически меню не используется). В данном примере использование команды vdele 2,,,1 для удаления объема при оставленных линиях конуса оказалось не эффективным, так как при склеивании модели линии исчезают и последующие команды LESIZE, 2929,R1/7не находят номера линий (29), а значит не могут разбить их на заданное количество отрезков (29,R1/7) и уменьшить сетку. И следует использовать внедрение новых объемов с заданными свойствами, для чего вначале место для них должно быть освобождено операциями вычитания.
/NOPR !Переход к объемной модели
/PMETH,OFF,0
KEYW,PR_SET,1
KEYW,PR_STRUC,1
KEYW,PR_THERM,0
KEYW,PR_FLUID,0
KEYW,PR_ELMAG,0
KEYW,MAGNOD,0
KEYW,MAGEDG,0
KEYW,MAGHFE,0
KEYW,MAGELC,0
KEYW,PR_MULTI,0
KEYW,PR_CFD,0
/GO
/prep7 !Включение препроцессора
/UNITS,SI !Выбор системы СИ
ET,1,SOLID92 !Выбор типа конечного элемента
MPTEMP,,,,,,,,
MPTEMP,1,0 !Не учитывать температуру
!Материал породы
MPDATA,EX,1,,3e9 !Модуль упругости
MPDATA,PRXY,1,,0.35 !Коэффициент Пуассона
MPDATA,DENS,1,,3000 !Плотность
!Материал сталь
MPDATA,EX,2,,3e10 !Модуль упругости
MPDATA,PRXY,2,,0.25 !Коэф. Пуассона
MPDATA,DENS,2,,7000 !Плотность
!Block
X1=-0.3
X2=0.3
Y1=-0.25
Y2=0.25
Z1=0
Z2=0.25
!Cone
XC=0
YC=0.12
R1=0.02
R2=0
L=0.03
Block,x1,x2,y1,y2,z1,z2
CON4,XC,YC,R1,R2,L
!вырезать конус, создаем полость
! под инструмент
VSBV,1,2
! вставляем инструмент
CON4,XC,YC,R1,R2,L
R3=0.06
L2=0.09
! вставляем дополнительный объем
CON4,XC,YC,R3,R2,L2
! удаляем объем, оставляя линии
! для управления сеткой
VDELE, 2, , ,1
LESIZE,29,R1/7
LESIZE,25,R1/7
LESIZE,26,R1/7
LESIZE,27,R1/7
LESIZE,28,R1/7
LESIZE,30,R1/7
LESIZE,13,R3/20
LESIZE,14,R3/20
LESIZE,15,R3/20
LESIZE,16,R3/20
LESIZE,17,R3/20
LESIZE,18,R3/20
!Разбиение линии блока
LESIZE,2,Z2/10
LESIZE,11,Z2/10
LESIZE,7,Z2/10
LESIZE,12,Z2/10
LESIZE,1,Z2/10
LESIZE,3,Z2/10
VGLUE,all
TYPE,1
MAT,2
VMESH,2
TYPE,1
MAT,1
VMESH,4
FINISH
/SOL
ANTYPE,0
FLST,2,1,5,ORDE,1
FITEM,2,3
/GO
DA,P51X,ALL,
FLST,2,1,5,ORDE,1
FITEM,2,1
/GO
SFA,P51X,1,PRES,3000000
solve
Поэтому эффективнее оказалась программа приведенная ниже, в ней
/NOPR !переход к объёмной задаче
/PMETH,OFF,0
KEYW,PR_SET,1
KEYW,PR_STRUC,1
KEYW,PR_THERM,0
KEYW,PR_FLUID,0
KEYW,PR_ELMAG,0
KEYW,MAGNOD,0
KEYW,MAGEDG,0
KEYW,MAGHFE,0
KEYW,MAGELC,0
KEYW,PR_MULTI,0
KEYW,PR_CFD,0
/GO
/prep7!вход в препроцессор ансис
/units,si!используем систему СИ
ET,1,SOLID92
MPTEMP,,,,,,,, !ВВОД МАТЕРИАЛА (МОДУЛЯ УПРУГОСТИ
!И КОЭФФИЦЕНТА ПУОССОНА) породы
MPTEMP,1,0
MPDATA,EX,1,,7E10 !модуль упругости резца
MPDATA,PRXY,1,,0.25 !коэфициент Пуассона
MPDATA,DENS,1,,7000!плотность трубы
!керн
MPDATA,EX,3,,6E9 !модуль упругости породы
MPDATA,PRXY,3,,0.3 !коэфициент Пуассона
MPDATA,DENS,3,,3000!плотность
MPDATA,EX,2,,7E8 !модуль упругости пластической зоны
MPDATA,PRXY,2,,0.45 !коэфициент Пуассона
MPDATA,DENS,2,,3000!плотность породы
! модель керна
CYL4,0,0,0.03,0,0,360,0.08 !хс,ус,рад1,t1,рад2,t2
!вставляем конус для модели пластической зоны
! и создаем полость
Cone,0.01,0,0.02,0,360!R1, R2,Z1,Z2,U1,U2
VSBV,1,2
! в полость вставляем пластическую зону
Cone,0.01,0,0.02,0,360
! склеиваем
VGLUE,all
!создаем инструмент вставкой конусав
!пластическую зону, его вырезанием и повторной
! вставкой со свойствами материала - сталь
Cone,0.005,0,0.012,0,360
VSBV,2,1
Cone,0.005,0,0.012,0,360
VGLUE,all
! Разбиение зоны инструмента
FLST,5,6,4,ORDE,2
FITEM,5,23
FITEM,5,-28
CM,_Y,LINE
LSEL, , , ,P51X
CM,_Y1,LINE
CMSEL,,_Y
LESIZE,_Y1,0.0005, , , , , , ,1
! разбиение пластической зоны
FLST,5,6,4,ORDE,2
FITEM,5,17
FITEM,5,-22
CM,_Y,LINE
LSEL, , , ,P51X
CM,_Y1,LINE
CMSEL,,_Y
LESIZE,_Y1,0.001, , , , , , ,1
!строим сетку: резец
TYPE,1
MAT,1
VMESH,2
!Пластическая зона
TYPE,1
MAT,2
VMESH,5
!Керн
TYPE,1
MAT,3
VMESH,6
!решение
Часть 1
Первый метод без управления сеткой.
1. Имя файла «CON4».Создаем блок породы, вставляем конус Preprocessor > Modeling > Create > Volumes > Box построение по оси координат командой by dimension.
Рисунок 1.
2. Команда Plot > Lines, показать по линиям
Рисунок 2.
3. Склеиваем – команда Modeling > Operate > Glue > Volumes > All, склеивание объемов конус и блока
Рисунок 3.
4. Выбираем блок, с помощью меню SubtractVolumes, для того чтобы вычитать с блока породы конус выполняем команду.
Рисунок 4.
5. Выбрали конус, с помощью меню SubtractVolumesи вычел его обьем из блока.
Рисунок5.
6. Выходимспрепроцессораивходимв Solution, закрепляемпородупобоковойчастикоманда Solution > Define Loads > Apply > Structural > Displacement > On Areas
Рисунок 6.
7. Выбираем площадь №9 и закрепляем по всем осям AllDOF.
Рисунок 7.
8. С помощью команды Solution > Apply > Structural > Pressure > On Areas выделяем площадь №1 (основание конуса) для того чтобы дать на нее нагрузку.
Рисунок8.
9. Даемнагрузку 3000 кНкомандой Solution > Define Loads > Apply > Structural > Pressure > On Areas
Рисунок9.
10. Показананагрузка
Рисунок 10.
11. Далее запускаем решатель,Solution>Solve>CurrentLS и получаем решение.
Рисунок11.
12. Для получение результата запускаем GeneralPostproc для того чтобы увидеть результаты. GeneralPostproc>PlotResults>DeformedShape выбираем Def + undeformed. Чтобы получить картину деформации.
Рисунок 12.
13. На рисунке показана деформация блока
Рисунок13.
!Расчёт напряжений, программа «Граф»
/POST1
!Деформированная форма
SET,FIRST
PLDISP,1
!Поля напряжений
AVPRIN,0,0,
PLNSOL,S,X,0,1!Напряжения сигма х
AVPRIN,0,0,
*VWRITE, s,x
A4, E10.3, 2X, D8.2
PLNSOL,S,Y,0,1!Напряжения сигма у
AVPRIN,0,0,
PLNSOL,S,XY,0,1!Напряжения сигма тау ху
AVPRIN,0,0,
!PLNSOL,S,EQV,0,1!Интенсивность !напряжений сигма i
!Графики напряжений вдоль АС
!Определить путь АС по двум точкам, !число разбиений 100
PATH,A1C1,2,30,100! а 30!?
!xyz
PPATH,1,0,0.03,0,0.0,0,!Первая координата !точки, определяющая путь
PPATH,2,0,-0.03,0,0.0,0,!Вторая !координата точки,
!отобразить на путь напряжения сигма х !переменная эс х
/PBC,PATH,,0
AVPRIN,0,0,
PDEF,Sx,S,X,AVG!
!отобразить на путь напряжения сигма у, !переменная эс у
/PBC,PATH,,0
AVPRIN,0,0,
PDEF,Sy,S,Y,AVG
!отобразить на путь напряжения ТАУ xу, !переменная Txy
/PBC,PATH,,0
AVPRIN,0,0,
!PDEF,Txy,S,XY,AVG
!отобразить на путь ИНТЕНСИВНОСТЬ напряжения сигма i,
! переменная Si
/PBC,PATH,,0
AVPRIN,0,0,
!PDEF,Si,S,EQV,AVG
!ПОСТРОИТЬ ГРАФИЧЕСКИ
/PBC,PATH,,0
PLPATH,SX,SY,TXY,SI
Рисунок 1.5 - Напряжения σх от поверхности к острию на 3см
Рисунок 1.6 - Напряжения σy от поверхности к острию на 3см
Рисунок 1.7 - Напряжения σх по поверхности для луча при х = 0.03 и – 0,03 через центр
1
2
Рисунок 1.8 - Напряжения 1- σх, 2-σу на глубине 0,03, для луча при х = 0.03 и – 0,03 через центр
Для чего выполняем анализ НДС у инструмента? Для того чтобы выявить зоны, где начнется развитие трещин отделяющих элемент скола от тела основного керна, а также для характеристики особенностей нагружения инструмента и, в частности, его острия. Направление скола приведено на рисунке 1.2, а подробнее этот процесс мы рассмотрим в специальном разделе, где приведем примеры полученных другими методами исследования. В целом же следует сразу указать, что задачи взаимодействия объектов следует проводить двумя - тремя методами. Причина в том, что результаты сложны для анализа, а иногда и не однозначны. Так приведенный контур скола будет получен в том случае, если инструмент сместим от точки центра, и чем больше будет это смещение, тем точнее определиться такая форма скола.
Если смещение произведем по оси Х, то для оценки образования трещин нам интересно напряжение σу Предполагаем, что действующее вдоль оси У напряжение будет отжимать элемент скола, а поскольку порода плохо сопротивляется растяжению то это и произойдет. Начнем анализ с рисунка 1.8 с точки на оси ординат 3, где напряжение минимально и далее с удалением к краю керна – возрастает, достигая величины – 2252. Здесь заканчивается инструмент и далее начинается тело керна. Наблюдается резкое падение напряжений и за точкой 3.6 оно меняет знак, переходя на растяжение, далее мало изменяясь. Почему в зоне инструмента оно сжимающее – интуитивно понятно, а вот дальше и происходит то, что мы называет отжатием породы. Причем достаточно большой участок пород нагружен относительно равномерно, и именно такое распределение часто приводит к глобальному развитию трещины. Рассмотрев НДС по поверхности по рассмотрим его по такой же оси, но лежащей глубже на 0.03 м., т.е. под пластической зоной, как видим картина качественно мало изменяется (здесь максимальные по абсолютной величине напряжения расположены в верхней части графика) и они уже растягивающие, далее происходит снижение напряжений. Таким образом, очевидно, что аппарат Ansys достаточно эффективен и позволяет анализировать НДС в любом сечении модели, при простом использовании программы построения графиков «Граф».
Мы изложили достаточно простые аспекты трещинообразования, но сам процесс гораздо сложнее и будет рассмотрен в специальном разделе. Здесь же мы приводим то, что в большей степени касается взаимодействия объектов. Укажем также и особенности распределения напряжение полученных на основе МКЭ, (рисунки 1.5 и 1.6). Здесь решение получено для нагружения в центре керна. И по соображениям симметричности распределения σу и σх должны быть одинаковыми, а они явно отличается количественно, хотя профиль кривых одинаков. Вот здесь и сказываются неточности метода, дело в том, что сетка в направлениях этих осей все-таки отличается и процессор это делал не «умышлено», а по соображения обеспечения «сходимости» узлов сетки. И он построил то, что было в его возможностях. Конечно, есть приемы, которые позволили бы этот эффект уменьшить, но пока можем лишь сказать что полученные графики следует усреднить или сетку выполнить раза в три меньшей.
14. Виды деформации General Postproc > Plot Results > Nodal Solution > DOF Solution выбираемпоосиХ
Рисунок13.
15. Максимальноедавление General Postproc > Plot Results > Nodal Solution > Stress поосиХ, макс. Давление равно 482351
Рисунок 14.
Часть 2
Для уточнения задачи, размельчим сетку разработав свой прием.
Вставляем конус с диаметром больше предыдущего в 2-3 раза.
Удаляем только что вставленный конус командой из меню которая удалив объём оставляет линии конуса
Восстанавливаем команды из сохраненного файла 1.log
Вычисляем номера этих линий используя меню выделения линий
Разбиваем командой lesize эти линии мелким шагом
И строим сетки по прежней программе из файла block
Есть линия 28 27 26 25 29 30 линии большого конуса
Рисунок 15.
16. Здесь удаляем малый конус выбрав команду Modeling>Delete>VolumesOnly, то есть с помощью это команды можно удалить объемы, но линии и точки остаются.
Рисунок 16.
17. С помощью команды Preprocessor>Meshing>SizeCntrls>ManualSize>Lines>PickedLines и обозначаем номера линий конуса
Рисунок 17.
18. Запускаем на разбиение сетки с помощью команды Preprocessor>Meshing>Mesh>Volumes>Free
Рисунок18.
19. Выбираемтипанализа Static, спомощьюкоманды Solution > Analysis Type> New Analysi
Рисунок19.
20. Входимв Solution, закрепляемпородуповерхнейчастикоманда Solution > Define Loads > Apply > Structural > Displacement > On Areas, выбираемплощадь №7 изакрепляемповсемосям All DOF
21. Спомощьюкоманды Solution > Apply > Structural > Pressure > On Areas выделяемплощадь №1 (конус)
22. Даем нагрузку 3000 кН
23. ЗапускаемрешательSolution > Solve > Current LS
24. Задача выполнена верно
25. Запускаем GeneralPostproc для того чтобы увидеть результаты. General Postproc > Plot Results > Deformed Shape выбираем Def + undeformed
26. GeneralPostproc>PlotResults>ContourPlot>NodalSolu>Stress, показывает максимальное давление по оси х
27. Виды линии после нагрузки. GeneralPostproc>PlotResults>NodalSolution>Stress выбираем по оси Х
28. Вид конуса при приближении под нагрузкой по оси Х
29. Вид конуса при приближении под нагрузкой по оси Y
Заключение
Ранее, были проведены аналогичные эксперименты по исследованию образцов нагруженных конусным инструментом на основе метода фотомеханики. Этот метод основан на поляризации лучей света, проходящих через деформированную пластину из фотоупругого материала. Поэтому в деформированной зоне фиксируется картина цветовых полос, интенсивность которых пропорциональна напряжениям τmaxПо таблицам цвета или точнее замером разности хода лучей методами компенсации определяются величины главных напряжений а также параметры изоклин и изостат, характеризующих направления напряжений. Это позволяет выполнить разделение напряжений на σх и σу, а также определить магистральные направления трещин по изостатам главных напряжений. Метод фотоупругости по видимому является наиболее представимым для определения НДС и зон разрушения, в том числе и для определений процессов упруго пластического деформирования конструкций. И сегодня он не заслуженно забыт поскольку, как стало, понятным это можно выполнить и конечно-элементным моделированием. Не прибегая к строительству сложной фотоупругой модели. В тоже время сочетание этих похожих методов необходимо поскольку в методе фотоупругости представляется реальная модель, которую в заключении можно и довести до разрушения . При этом фотоупругие модели можно строить тогда кода возникают сомнения в интерпретации полученных результатов
14