王 明，李國義

(東北石油大學(xué) 機(jī)械科學(xué)與工程學(xué)院，黑龍江 大慶 163318)

基于ABAQUS對(duì)巖土切削的數(shù)值模擬分析*

王 明，李國義

(東北石油大學(xué) 機(jī)械科學(xué)與工程學(xué)院，黑龍江 大慶 163318)

應(yīng)用ABAQUS分析軟件對(duì)多軸攪拌連續(xù)墻切削刀具對(duì)巖土切削進(jìn)行有限元模擬，應(yīng)用軟件中擴(kuò)展的Drusker-Prager材料本構(gòu)模型和材料的剪切失效準(zhǔn)則，建立了刀具切削巖土的三維數(shù)學(xué)模型，得到了巖土切削的變化過程巖土以及切削力的變化規(guī)律。模擬結(jié)果為回轉(zhuǎn)刀具對(duì)砂土的切削提供了理論參考。

ABAQUS；多軸攪拌連續(xù)墻；Drusker-Prager材料本構(gòu)模型；剪切失效

0 引 言

多軸攪拌連續(xù)墻施工機(jī)械的切削刀具是鉆機(jī)工作的主要部件，多軸攪拌連續(xù)墻一般在軟土地質(zhì)條件下施工，刀具對(duì)土體進(jìn)行旋轉(zhuǎn)切削[1]。切削過程中刀具與土體不確定因素較多，因此采用有限元數(shù)值模擬法對(duì)巖土的切削過程進(jìn)行研究，揭示巖土與刀具的作用機(jī)理，對(duì)后期改進(jìn)刀具使用壽命具有重要意義。

1 切削土體三維動(dòng)態(tài)仿真模型

1.1 土體材料本構(gòu)模型

使用水壓力p和廣義剪應(yīng)力q表達(dá)的D-P(Druker-Prager)屈服準(zhǔn)則為：

F=q-ptanα-d=0

(1)

設(shè)塑性勢(shì)函數(shù)與屈服函數(shù)具有相似的形式為：

G=q-ptanβ

(2)

式(1)和(2)中，α、β和d是模擬材料的力學(xué)參數(shù)，稱為Druker-Prager準(zhǔn)則的內(nèi)摩擦角，廣義剪脹角和廣義單軸抗壓強(qiáng)度。可以通過Mohr-Coulomb準(zhǔn)則的黏聚力c、內(nèi)摩擦角φ和剪脹角φ換算得到。Druker-Prager模型的屈服函數(shù)和塑性勢(shì)函數(shù)的一階導(dǎo)數(shù)為：

(3)

(4)

式中：

1.2 巖土切削分離準(zhǔn)則

切屑分離準(zhǔn)則，是在有限元計(jì)算過程中，用于判斷刀尖前方切屑與基體連接處的質(zhì)點(diǎn)分離與否的判別依據(jù)[2]。分離準(zhǔn)則主要分物理準(zhǔn)則和幾何準(zhǔn)則兩種類型，在進(jìn)行切削有限元模擬時(shí)物理分離準(zhǔn)則使模擬結(jié)果更接近實(shí)際情況，因此模擬時(shí)采用剪切損傷定義的剪切失效物理分離準(zhǔn)則[3]。ABAQUS中模型通過材料失效參數(shù)ωs來確定材料單元是否失，ωs由下式確定：

刀具對(duì)巖土進(jìn)行回轉(zhuǎn)切削，在切削過程中巖土斷裂應(yīng)變≤0 的巖土單元視為死單元。

1.3 有限元模型模擬

對(duì)刀具切削進(jìn)行理論研究，設(shè)定刀具在軟土中進(jìn)行回轉(zhuǎn)切削最大切削速度30r/min，建立如圖1所示的無間斷連續(xù)墻切削刀具對(duì)巖土切削的三維模型。

圖1 巖土切削簡化模型

巖土模型尺寸直徑800 mm，厚度40 mm，切削深度20 mm，模型網(wǎng)格采用C3D4單元?jiǎng)澐志W(wǎng)格。計(jì)算機(jī)仿真時(shí)Druker-Prager巖土模型主要參數(shù)設(shè)置見表1。表中μ為刀具巖土材料的摩擦系數(shù)。

表1 切削仿真模擬巖土參數(shù)

在模擬時(shí)刀具采用剛體材料，將刀具繞y軸旋轉(zhuǎn)速度，沿y軸負(fù)向下速度都施加在與刀具剛性固定的參考點(diǎn)上。巖土模型底面?zhèn)让媸┘尤s束載荷。

2 模擬結(jié)果與分析

為研究刀具對(duì)巖土的切削機(jī)理，現(xiàn)選用回轉(zhuǎn)刀具對(duì)砂土模型的切削為研究對(duì)象，圖2為切削過程等效力云圖。

圖2 不同時(shí)刻土的等效應(yīng)力圖

切削力大小反應(yīng)切削的難易程度，是切削過程中最重要的參數(shù)之一。圖3～6是切削過程中X、Y、Z方向的切削力變化曲線。從圖2可以看出，刀具不斷向前切削，模型等效應(yīng)力區(qū)域也不斷向前變化，因此各分圖的最大應(yīng)力值不同。切削過程中當(dāng)土的等效塑性變形超過本身材料失效準(zhǔn)則所設(shè)定的值時(shí)，單元失效刪除。

圖3 刀具X方向反作用力

圖4 刀具Y方向反作用力

圖5 刀具Z方向反作用力

圖6 刀具繞Y軸的反作用扭矩

從圖3～6曲線的走向可以看出，刀具在切削過程中受到較大的沖擊，造成載荷驟然升高。在回轉(zhuǎn)切削過程中刀具受到變載荷的作用，這主要是由于分析軟件中巖土材料斷斷續(xù)續(xù)的達(dá)到分離準(zhǔn)則而被刪除，刀具受力不連續(xù)導(dǎo)致的。刀具繞Y軸旋轉(zhuǎn)速度為30r/min，摩擦應(yīng)力與摩擦壓強(qiáng)使刀具受到繞Y軸旋轉(zhuǎn)的反作用扭矩，反作用扭矩為鉆具強(qiáng)度、功率的配置提供參考。

3 結(jié) 語

(1) 通過控制網(wǎng)格的失效準(zhǔn)則和巖土的本構(gòu)模型，應(yīng)用大型有限元軟件建立了多軸攪拌無間斷連續(xù)墻刀具對(duì)巖土切削的三維分析模型。

(2) 以刀具對(duì)砂土的切削為例，研究在切削過程中刀具所受到的反作用力的變化情況以及反作用扭矩的變化情況。

(3) 刀具在對(duì)巖土進(jìn)行切削時(shí)，刀具與巖土之間的摩擦應(yīng)力與接觸應(yīng)力引起的刀具X、Y、Z三個(gè)方向的反作用力，為切削刀具以及刀具座板、鉆具之間的連接分析提供了外載，為動(dòng)力頭動(dòng)力元件的選取提供理論依據(jù)。

[1] 郭 峰，趙偉民，李瑰賢.旋挖切削土阻力的理論分析與試驗(yàn)研究[J].巖土力學(xué)，2007，28(12)：2666-2670.

[2] 李立明，徐向紅，郭 峰,等.點(diǎn)式?jīng)_擊刀具切削應(yīng)力分析[J].建筑機(jī)械化，2007(9)：28-30.

[3] 周里群，邢 國，劉 宏,等.基于ABAQUS的瀝青混凝土銑削建模[J].建設(shè)機(jī)械技術(shù)與管理，2010 (5)：97-100.

Numerical Analysis of the Cutting Process for Rock and Soil Based on ABAQUS

WANG Ming，LI Guo-yi

(NortheastPetroleumUniversity，MechanicalScienceandEngineeringCollege，DaqingHeilongjiang163318,China)

Numerical simulation is done by ABAQUS analysis software which applied in multi-axis applications stirred continuous wall cutting tool for cutting rock and soil. By Drusker-Prager and the shear failure criteria which are software extensions material constitutive model, a three-dimensional mathematical geotechnical model of cutting tool is established. The change process of rock and soil is got，as well as the variation of cutting force. The simulation results provide a theoretical reference for the rotation of the cutting tool of sand.

ABAQUS；multiaxial stirred continuous wall；material constitutive model；shear failure

2014-01-09

王 明(1986-)，男，黑龍江齊齊哈爾人，碩士，研究方向：安全技術(shù)及工程。

TG5

A

1007-4414(2014)02-0115-02