XIII Международная студенческая научная конференция Студенческий научный форум - 2021

Введение.

 

Данная задача решается для моделирования взаимодействия инструмента с керном, что не обходимо для буровых проходческих и очистных машин в горном деле. В данном случае рассматривается конусный инструмент.

Решение данной задачи можно решать стандартным методом через использование меню самой программы. В данном случае мы будем использовать пакет MicrosoftWord в котором будем прописывать код и использовать его для конструирования нашего керна и его взаимодействия с используемым коническим инструментом, а решение задачи уже произведем непосредственно в меню Ansys.

Ansys, начинавшийся как система для внутреннего использования фирмы WestinghouseEleсtric, проник из своей «материнской» области, ядерной энергетики, во все области промышленности. 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 при импорте осуществляется перетрансляция данных в геометрический формат Ansys и деталь не подменяется «неприкасаемой» конечно-элементной сеткой. 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. Построение поверхностей, твердотельной и каркасной геометрии и внесение изменений осуществляются средствами собственного геометрического моделлера.

Ansys позволяет решать проблемы прочности, теплофизики, гидрогазодинамики, электромагнетизма совместно с расчетом усталостных характеристик и процедурами оптимизации. Единая система команд и единая база данных полностью исключают проблемы интеграции и взаимного обмена между указанными сферами. Более того, в программе использованы специализированные конечные элементы, имеющие, помимо перемещений и поворотов в узлах, степени свободы по температуре, напряжению и др., а также переключения типа элемента, например электромагнитного на прочностной. Благодаря этому в программе реализованы уникальные возможности проведения связанного анализа. Оптимизация конструкции, таким образом, может вестись с учетом всего многообразия физических воздействий на нее.

Моделирование и решение задачи при помощи программного кода.

1.Подготовительный этап перед началом работы.

1.1. Прописываем определенные команды, которые дадут нам возможность перейти на объемный вид решения задачи:

/NOPR

/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

1.2. Открываем препроцессор Ansys и вводим в нашу программу систему СИ где в последствии выбираем конечный элемент :

/prep7 - вход в препроцессор Ansys

/units,si- используем систему СИ

ET,1,SOLID92 – выбор конечного элемента.

1.3. При помощи следующих команд вводим физико-механические свойства для решения задачи, т.е. модуль упругости, коэффициент Пуассона и плотность:

MPTEMP,1,0 – в данной задаче температуру не учитываем.

1.4. Вводим параметры для стали, т.е для нашего резца:

MPDATA,EX,1,,7E10 -модуль упругости резца

MPDATA,PRXY,1,,0.25 - коэфициент Пуассона

MPDATA,DENS,1,,7000 - плотность

1.5. В записях приведенных ниже будут указаны физико-механические свойства для породы и пластической зоны, то есть в данном случае мы использовали 2 характеристики материала для 1 породы:

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

Рисунок 1. Введение вышеупомянутых данных в программу пустем копирования кода и внедрение его в Ansys.

В данном случае никаких изменений не последует так как моделированием определенных задач мы еще не занимались.

2. Моделирование уловий, необходимых для решения задачи.

2.1. Керн мы моделировали примитивом цилиндра:

CYL4,0,0,0.03,0,0,360,0.08 !хс,ус,рад1,t1,рад2,t2,l

Рисунок 2. Вставка кода с основными данными цилиндра

2.2.После создания керна в его полости создаем образ пластической зоны в виде конуса и вырезаем его из модели керна, т.е. цилиндра:

Cone,0.01,0,0.02,0,360!R1, R2,Z1,Z2,U1,U2– создание конуса для пластической зоны

Рисунок 3. Образование конуса внутри керна.

VSBV,1,2 – создание полости, т.е вычитание объема конуса из объема цилиндра.

Рисунок 4. Вычитаем площадь конуса из площади керна

2.3. После того как мы вычли объем конуса из объема цилиндра мы заполняем данное пространство такого же размера цилиндром, который будет иметь характеристики пластической зоны, которые мы указали ранее и склеиваем блок цилиндра с блоком пластинчатой зоной:

Cone,0.01,0,0.02,0,360 – в полость вставляем пластическую зону

Рисунок 5. Вновь образуем внутри керна конус пластической зоны.

Со стороны данные повторяющиеся действия кажутся бессмысленными но всему есть объяснения. При первом внедрении нашего конуса в цилиндр материал пластической зоны начинает смешиваться с материалом керна, поэтому мы изначально исключаем объем конуса из керна с целью чистоты материала.

VGLUE,all– склеивание ( впоследствии конус внутри цилиндра можно заметить только включая режим контурных линий, показано на рисунке 6)

Рисунок 6. Склеивание конуса и цилиндра.

2.4. Создав пластическую зону внутри керна мы можем приступать к внедрению в него уже инструмента. Мы внутри пластической зоны создаем образ конусного инструмента после чего вычитая объем данного инструмента из пластической зоны вновь повторяем его создание со свойствами материала – сталь, и уже склеиваем с пластической зоной:

Cone,0.005,0,0.012,0,360 – создание образа инструмента внутри пластической зоны.

VSBV,2,1 – вычитание объема инструмента из объема пластической зоны.

Cone,0.005,0,0.012,0,360 – создание инструмента с характеристикой материала - сталь

VGLUE,all – скленивание инструмента с пластической зоной

Рисунок 7. Внедрение инструмента с последующим склеиванием его с пластической зоной.

В результате этих действий тот же самый керн имеющий цилиндрическую форму имеет конусную выемку, в которую в последствии вставлен конусный инструмент, но при этом над этим конусом имеются образующие линии по которым будет дальше создаваться пластическая зона.

2.5. Впоследствии действий которые мы совершили ранее, программа автоматически создаст код, который вводит через меню разбиение пластической зоны, или разбиение нашего резца:

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 – командашагаразбиения , т.е 1мм

Рисунок 8. Разбиение резца

2.6. Далее идет построение конечной элементной сетки для резца, пластической зоны и самого керна:

!Резец:

TYPE,1

MAT,1 – материал резца (указан ранее)

VMESH,2 – объем резца

Рисунок 9. Построение элементной сетки для резца.

!Пластическая зона:

TYPE,1

MAT,2 – материал пластической зоны

VMESH,5 –объем пластической зоны

Рисунок 10. Построение элементной сетки для пластической зоны.

!Керн:

TYPE,1

MAT,3 – материал керна

VMESH,6 – объем керна

Рисунок 11. Построение элементной сетки для керна.

3. Решение задачи.

3.1. Для решения данной задачи мы прибегнем к меню нашей программы. Мы выходим из вкладки Preprocessorи переходим во вкладку:

Solution>AnalysisType>Sol’nControls

Рисунок 12. Выбор максимольной точности решения 3D модели в меню Sol’nControls.

3.2. Теперь нам необходимо ограничить дно цилиндра от смещения когда мы подадим давление на конусный инструмент который находится с обратной стороны дна цилиндра. Дляэтогонеобходимоперейтив:

Solution > Define Loads > Apply > Structural > Displacement > On Areas

После чего курсором мыши мы выделяем нужную нам область и укрепляем ее по всем осям кординат.

Рисунок 13. Выделение области для предотвращения его смещения.

3.3. Теперь когда мы закрепили дно цилиндра по всем плоскостям мы подаем давление на конусный инструмент. Дляэтогонеобходимоперейтив:

Solution > Define Loads > Apply > Structural > Pressure > On Areas

После чего курсором мыши мы выделяем нужную нам площадь инструмента и задаем параметры давления, в нашем случае – 3000000 Н.

Рисунок 14. Выделение площади инструмента на котый будем оказывать давление.

Рисунок 15. Визуальное представления оказывания давления на инструмент (подсветка красным)

3.4. Далее нам нужно получить решение уравнений. Для этого в коммандную строку мы вводим слово Solve (так же его можно найти в меню программы)

Рисунок 16. Введение команды Solve с найденным решением.

3.5. Чтобы посмотреть деформации, которые произошли с Керном под давлением инструментом необходимо перейти в:

General Postproc> Plot Results > Deformed Shape

Здесь в нашем случае можно увидеть отсутствие значительных деформаций.

Рисунок 17. Сетка контроля деформации Керна.

3.6. Чтобы рассмотреть напряжение необходимо перейти в:

General Postproc> Plot Results > Contour Plot > Nodal Solu

В открывшемся меню выбираем графу Stress и там уже определяемся с тем, относительно какой координаты нам нужно напряжение. В нашем случае я выбрал Эквивалентное напряжение

Рисунок 18. Меню выбора грани напряжения.

Рисунок 19. Эквивалентное напряжение по Керну.

3.7. Так как нам программа не показывает сильных изменений мы решаем проверить наш цилиндр в режиме Максимальных деформаций. Для этого со вкладки Stress необходимо перейти во вкладку DOFSolutionи выбрать ось по которому будет рассматриваться деформация.

Рисунок 20. Деформация Керна по оси Х.

4. Об экспериментальном решении задач с пластическим деформированием при разрушении породы

Мы привели решение о взаимодействии инструмента с породой с учетом пластической зоны у инструмента. Но как его использовать на практике, представлю это так:

1 При внедрении инструмента на глубину Н вокруг него образуется пластическая зона, где напряжения по контуру в среднем считаем равными (это не совсем так), тогда оно равно некоторому предельному напряжению σп когда такое состояние достигается.

2. Внедрение инструмента будет продолжаться до глубины Нр, когда от керна отделиться элемент стружки скол

При этом, например, считаем что в породе достигнуто по некоторому опасному контуру (участку – пока не будем рассуждать о его расположении ) растягивающее напряжение σр

3. Таким образом моделировать в пакете Ансис надо при нескольких значенияг глубин внедрения инструмента Н, до тех пор пока не будет достигнуто в заданном месте это напряжение. При этом ему будет соответствовать некоторая глубина Нк и соответсвующие размеры пластической зоны. Будем считать, что напряжения на контуре и σп инструмента σк могут превышать σп , а рост пластической зоны через её плошадь и объем происходит до тех пор пока не достигнуто на контуре пластической зоны σп. Но если при этом не достигнуто σр внедрение и соответсвенно моделирование будет продолженно.

Заключение.

Созданная программная модель позволяет проводить расчет взаимодействия любого инструмента с поверхностью блока породы. Полученный расчет дает нам возможность узнать теоретические параметры прочности инструмента для работы с определенной породой.

Нагружение массива вскрывает имеющиеся нарушения и закрепляет траекторию созданием микро-зон достигших предельного состояния и обеспечивающих прогнозируемую траекторию. Эти факторы могут оказаться более важными. Надо учитывать и время распространения трещины: успеет ли она оказать фатальное влияние на развитие дислокации так, чтобы она изменила траекторию.

Можно предположить, что эффекты при кавитации с образованием кумулятивной струи и при механическом разрушении твёрдых тел имеют в основе принципы фокусировки, которые кроме общих закономерностей имеют частные характеристики определяемые особенностями сред микро и макро уровней в которых они протекают. Таким образом, проведенные действия уточнили механизм циклического разрушения при разрушении пород, что позволит уточнить расчеты энергетики процесса разрушения и пояснить механизмы его идентификации. Его некоторые положения могут быть применены при моделировании, а также выборе бурового инструмента для проведения скважин, а также в анализе процессов разрушения донных пород.

Список используемой литературы.

1. Норенков И.П., Маничев В.Б. Основы теории и проектирования САПР. Изд-во МГТУ им. Н. Э. Баумана, 2002. - 336 c.

2. М.В. Головицына Основы САПР, INTUIN.ru, ISBN: 978-5-94774-847-5, Электронный учебник

3. Нургужин М.Р., Даненова Г. Т. Инженерные расчёты в ANSYS: сборник примеров, Караганда 2006 319 с.

4. Басов К.А. ANSYSв примерах и задачах / Под общей редакцией Д.Г. Красковского. – М.: КомпьютерПресс, 2002. – 224 с.

5. Бейсембаев К.М., Шащянова М.Б. Основы системного анализа в базах данных.Караганды, Болашак-Баспа, 2008, 208 с.

6. Бейсембаев К.М., Жетесов С.С. Практические аспекты разработки промышленных информационных систем.Караганда 2009, изд-во КарГТУ, 207 с.

7. Бейсембаев К.М., Жетесов С.С., Шманов М.Н. Геомеханические основы разработки угля в нестационарных системах.Караганда 2009, изд-во КарГТУ, 207 с.

8. Бейсембаев К.М., Технологиялықмашиналардыавтожобалау. Кара-ганда 2012, 95с.

9. Бейсембаев К.М., Дёмин В.Ф., Жетесов С.С., Малыбаев Н.С., Шманов М.Н Практические и исследовательские аспекты разработки горных машин в 3d монография. Караганда, 2012, изд-во КарГТУ, 135с.

10. Жетесов С.С., Бейсембаев К.М., Абдугалиева Г.Б. Гравитациялықкөмірдіөндірудегітехнологиялықмашиналардыңкөрсеткіштері мен үрдістерінзерттеу. Караганда, 2011,изд-во КарГТУ, монография,107 с.

11.Конюхов А.В. Основы анализа конструкций в ANSYS / Казанский государственный университет, Казань 2001, Электронные материалы

12. Marina Sidorová, Kakim Manapovich Beysembayev, Mahambet Nazhmetdinovich Shmanov, Kanat Kenzhegalievich Mendikenov and Aizat Murathankyzy Esen Plastic Flow Modeling in Rock Fracture Acta Montanistica Slovaca Volume 23 (2018), number 4, 357-367 

Код для цитирования: Скопировать