本文關(guān)鍵詞：加熱輔助凍土切削有限元模擬及分析

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【摘要】：由于冰膠結(jié)力的作用,凍土強(qiáng)度是未凍土強(qiáng)度的10~20倍。使用常規(guī)挖掘方法和工具,凍土開挖效率低下、刀具的磨損嚴(yán)重。受到破碎凍土方式和機(jī)械設(shè)備的限制,為了進(jìn)一步提高凍土開挖的效率,有必要對凍土切削的力學(xué)特征和新式凍土破碎方法進(jìn)行研究。考慮到凍土強(qiáng)度隨著溫度的升高而顯著降低,具有顯著的溫度敏感性這一特征,可以將加熱輔助切削或稱為熱切削技術(shù)應(yīng)在凍土切削中。為研究凍土切削破碎的規(guī)律性和加熱輔助凍土切削的可行性,本文利用顯式有限元程序LS-DYNA對凍土切削過程和加熱輔助凍土切削過程進(jìn)行了數(shù)值模擬分析。本文選用HJC模型和彈塑性熱相關(guān)材料模型模擬凍土在切削過程中的力學(xué)行為。首先,利用LS-DYNA軟件和HJC模型以及相應(yīng)的模型參數(shù),考慮刀具和凍土之間的摩擦力作用,建立凍土二維正交切削模型。研究了在凍土切削過程中不同切削速度、切削深度和刀具前角條件下,刀具切削力、凍土應(yīng)力場和凍土破碎形態(tài)的變化規(guī)律。計算結(jié)果表明:凍土切削過程中,凍土主要是脆性破壞;切削力具有波動性,切削力與切削距離之間表現(xiàn)為明顯的波動變化關(guān)系;刀具前角對凍土破碎形態(tài)影響明顯;在凍土切削過程中,凍土切削深度和刀具前角對切削力影響較大,而切削速度對切削力的影響不大;凍土切削力隨著速度的增加而略有增大,隨著切削深度的增加而近似線性增大。然后,基于有限元程序LS-DYNA對加熱輔助凍土切削熱傳導(dǎo)過程以及加熱刀具和懸浮熱板輔助凍土切削過程進(jìn)行有限元模擬。模擬結(jié)果表明:由于凍土具有較大的容積熱容量和較小的導(dǎo)熱系數(shù),凍土是熱傳導(dǎo)的不良導(dǎo)體,熱量很難向凍土深處快速傳遞,加熱刀具和懸浮熱板對凍土作用局限在很小的范圍內(nèi);由于表層凍土的相變潛熱的作用,傳遞的熱量主要消耗在凍土表層。加熱刀具和懸浮熱板向凍土深處傳遞熱量具有速度慢、深度淺、表面相變潛熱消耗大的特點(diǎn)。通過對加熱輔助凍土切削的有效性和可行性進(jìn)行分析可知,對于加熱刀具輔助凍土切削,在本文設(shè)定熱生成條件下,通過研究不同熱接觸下的平均切削力變化規(guī)律,發(fā)現(xiàn)隨著熱接觸條件的改變,凍土切削力變化不明顯,只減小了5%左右。這說明對于加熱刀具輔助凍土切削,刀具需要在較高溫度下和較低速度才能起到效果。對于懸浮熱板輔助凍土切削,凍土抗切削強(qiáng)度的削弱并不是十分明顯,凍土的抗切削強(qiáng)度需要較長的加熱時間(5s)才能降低20%左右。
【關(guān)鍵詞】：凍土 切削 數(shù)值模擬 熱傳導(dǎo) 輔助加熱
【學(xué)位授予單位】：蘭州大學(xué)
【學(xué)位級別】：碩士
【學(xué)位授予年份】：2016
【分類號】：P642.14
【目錄】：

• 中文摘要3-5
• Abstract5-10
• 第一章 緒論10-24
• 1.1 研究背景與意義10-11
• 1.2 凍土的物理和力學(xué)特征11-19
• 1.2.1 凍土的熱交換系數(shù)分布規(guī)律11-16
• 1.2.2 凍土的瞬時力學(xué)強(qiáng)度16-19
• 1.3 國內(nèi)外研究現(xiàn)狀19-21
• 1.3.1 凍土切削性能的實(shí)驗(yàn)研究20-21
• 1.3.2 切削數(shù)值模擬研究21
• 1.4 本文研究的主要內(nèi)容及研究思路21-24
• 1.4.1 研究內(nèi)容21-22
• 1.4.2 研究思路22-24
• 第二章 有限元數(shù)值模擬方法24-34
• 2.1 ANSYS/LS-DYNA程序簡介24-32
• 2.1.1 ANSYS/LS-DYNA基本算法25-27
• 2.1.2 ANSYS/LS-DYNA軟件單位制27-29
• 2.1.3 ANSYS/LS-DYNA接觸類型和失效準(zhǔn)則分析29-30
• 2.1.4 ANSYS/LS-DYNA系統(tǒng)求解步驟30-32
• 2.2 傳熱有限元分析32-34
• 2.2.1 熱傳導(dǎo)微分方程32-34
• 第三章 凍土二維正交切削數(shù)值模擬研究34-49
• 3.1 HJC本構(gòu)模型簡介34-37
• 3.1.1 屈服面方程34-35
• 3.1.2 狀態(tài)方程35-36
• 3.1.3 損傷演化方程36-37
• 3.2 有限元模型的建立37-41
• 3.2.1 幾何模型建立37-38
• 3.2.2 材料選擇38-39
• 3.2.3 網(wǎng)格劃分39-40
• 3.2.4 定義約束與荷載40
• 3.2.5 定義接觸和失效準(zhǔn)則40-41
• 3.3 凍土二維正交切削模擬結(jié)果分析41-48
• 3.3.1 凍土正交切削過程分析41-42
• 3.3.2 凍土切削過程切削力的波動性42-43
• 3.3.3 不同刀具前角下凍土切削模擬結(jié)果分析43-44
• 3.3.4 凍土切削力在不同條件下的變化規(guī)律44-48
• 3.4 本章小結(jié)48-49
• 第四章 加熱輔助凍土切削數(shù)值模擬分析49-68
• 4.1 彈塑性熱相關(guān)本構(gòu)模型簡介49-50
• 4.1.1 凍土彈塑性熱相關(guān)本構(gòu)模型的特點(diǎn)49-50
• 4.2 加熱輔助凍土切削有限元模型的建立50-60
• 4.2.1 定義熱初始條件和邊界條件51-53
• 4.2.2 材料物性參數(shù)和熱性參數(shù)53-54
• 4.2.3 定義熱接觸類型54-56
• 4.2.4 定義熱生成56-57
• 4.2.5 定義熱分析選項(xiàng)57-60
• 4.3 加熱刀具輔助凍土切削有限元模擬結(jié)果分析60-64
• 4.3.1 移動加熱刀具溫度場分析60-61
• 4.3.2 加熱刀具移動速度與不同深度凍土溫度的關(guān)系61-62
• 4.3.3 加熱刀具輔助凍土切削過程中不同節(jié)點(diǎn)溫度變化規(guī)律62-64
• 4.3.4 加熱刀具輔助凍土切削中切削力隨切削速度的變化規(guī)律64
• 4.4 懸浮熱板輔助凍土切削過程有限元模擬結(jié)果分析64-67
• 4.4.1 懸浮熱板輔助凍土切削溫度場分析64-66
• 4.4.2 懸浮熱板輔助凍土切削有效性分析66-67
• 4.5 本章小結(jié)67-68
• 第五章 結(jié)論與展望68-71
• 5.1 結(jié)論68-69
• 5.2 展望69-71
• 參考文獻(xiàn)71-73
• 在學(xué)期間的研究成果73-74
• 致謝74

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