盘形滚刀冲击破岩过程仿真分析与试验研究.pdf

[摘要]随着TM的广泛应用以及地质条件的复杂多样性，传统的机械破岩方法已经无法满足实际需求。在分析国内外相关研究现状的基础上，研究了新型破岩方法，即冲击破岩的切削性能。基于LS-DYNA对冲击破岩过程进行仿真研究，分析得到冲击量、冲击频率和切削速度对冲击破岩过程的影响规律，并借助滚刀破岩试验台对仿真结果进行试验验证。[关键词]隧道工程；盘形滚刀；冲击破岩；仿真分析；试验

内容摘抄：

1冲击破岩机理
滚刀侵入岩石初期，由于剪切变形形成的密实核呈半球形。冲击破岩将产生中间、径向和侧向裂纹，侧向裂纹一般在卸载过程中从剪切变形区底部产生并扩展，而中间裂纹和径向裂纹始于加载过程并在卸载过程中扩展，如图1所示。
当滚刀承受垂直静压力，滚刀侵入岩石，随着垂直静压力逐渐增大，岩石首先被压实，接着岩石被破坏，直至出现破碎。当盘形滚刀侵入岩石到一定程度之后，把滚刀承受的垂直静压力转换为冲击作用力，此时岩石面将出现大面积破碎或很多微裂纹。接着把滚刀承受的冲击力转换为垂直静压力，假设之前岩石面产生很多微裂纹，则滚刀侵入岩石过程中，岩石更容易破碎，更容易形成一个更大的破碎坑：假设之前冲击荷载足够大，在冲击处产生大体积的破碎坑，则滚刀侵入岩石过程中，滚刀侵入深度增大，将产生更大块度的岩石。接着再次转换滚刀承受荷载性质，进入新的滚刀破岩加载周期。
2冲击破岩仿真研究
2.1建立有限元模型
由于正滚刀的安装半径较大，切削岩石过程近似为线性切削，建立如图2所示三维有限元模型。为了节省计算时间，且保证输出数据的准确性，被切削的岩石区域网格划分较细，下面区域的网格相对较粗；刀与岩石的接触采用面-面接触(ESTS)算法；在岩石侧面施加无反射边界条件，约束岩石底面的全部自由度：选取*MAT_RIGD作为刀圈本构模型，选取*MAT_JOHNSON_HOLM GUIST CONCRETE作为岩石本构模型；限制滚刀压入岩石的贯入度，保证正常切削破岩，再施加一个三角形的冲击位移，冲击波的幅值和频率均可调。

3冲击破岩试验研究
为了验证仿真结果，利用自制的盘形滚刀切削性能试验台进行盘形滚刀冲击岩石试验，试验台及其附属结构如图7所示。设定滚刀的贯入度为6mm,冲出陌蒋坊分为4个强度：0,30,60,100kN。试验开始前，将岩石和滚刀以及冲击加载装置移至初始破岩位置；接着加载滚刀至设定的贯入度，然后在滚刀上加载垂直静压力和冲击荷载，实现盘形滚刀冲击破岩试验。试验过程中记录岩石冲击破坏过程、岩块质量及尺寸。

4结语
1)冲击破岩过程呈现明显的间歇性特征，形成周期性振动，周期与冲击频率一致，在岩石切槽内形成一个个破碎坑。
2)随着冲击量的增大，刀具受力越来越大，荷载波动起伏增大，岩石破碎效果更好。
3)随着冲击频率的增大，刀具荷载先增大后减小，当频率为2Hz时，岩石破碎效果最佳。
4)根据仿真结果得到切削速度为50mm/s时的破岩效率最高。
5)利用自制滚刀破岩试验台验证了仿真结果的正确性。

（略）

投稿会员：巧克力布丁