【摘要】：利用非線性沖擊動(dòng)力學(xué)軟件LS-DYNA,采用光滑粒子流體動(dòng)力學(xué)(SPH)耦合有限元單元(FEM)方法,模擬了高壓水射流微觀破煤過程。根據(jù)模擬結(jié)果,紅嶺煤礦二1煤層水力擴(kuò)孔最佳噴嘴直徑為2.0~2.5 mm,臨界破煤壓力為10 MPa,最佳破煤壓力為20~22 MPa。
【圖文】：

限單元的面M(如粒子i和j)，由于這種侵入時(shí)非物理侵入，需要做必要的處理。有限元單元與光滑粒子界面模型如圖1，圖1中每個(gè)圓代表1個(gè)光滑粒子，根據(jù)動(dòng)量守恒和能量守恒對(duì)位于滑移面上的相關(guān)節(jié)點(diǎn)進(jìn)行速度調(diào)整。圖1有限元單元與光滑粒子界面模型m1v1+m2v2+mivi=m1v'1+m2v'1+miv'im1v1r1+m2v2r2+mivir3=m1v'ir1+m2v'2r2+miv'ir3v'i－v'1=(v'2－v'1)(ri－r1)/(r2－r1{)(1)式中:mi為光滑粒子i的質(zhì)量;m1和m2為與光滑粒子相接觸的有限元的2個(gè)節(jié)點(diǎn)M2和M3的質(zhì)量;v1、v2、vi分別為節(jié)點(diǎn)M2、M3及粒子i調(diào)整前沿線段M2、M3法線方向的速度分量;v＇1、v＇2、v＇i為調(diào)整后的法向速度分量;r1、r2、ri為矢徑。根據(jù)式(1)可知M2、M3和i速度分量呈線性分布，通過插值方法對(duì)單元節(jié)點(diǎn)和光滑粒子位置進(jìn)行調(diào)整，使粒子沿滑移面法向方向回到剛好和滑移面相切位置。1．2計(jì)算模型建立水射流采用SPH粒子建模，煤體采用FEM建模。選取1/4的水射流和煤體進(jìn)行模擬(圖2)。水射流長度為50mm，半徑分別設(shè)定1．0～2．5mm，對(duì)稱面采用SPH_SYMMETＲY_PLANE對(duì)稱約束。煤體模型的長寬高均為20mm，底面和外圍側(cè)面采用BOUNDAＲY_NONＲEFLECTING透射界面，對(duì)稱面采用CONSTＲAINED_GLOBAL對(duì)稱約束。采用BOUNDAＲY_SPC_SET約束底面所有方向平動(dòng)和轉(zhuǎn)動(dòng)。水射流由11000個(gè)SPH粒子組成，煤體結(jié)構(gòu)由8000個(gè)正六面體組成，采用CONTACT_EＲODING_NOTES_TO_SUＲFACE耦合接觸。1．3水的狀態(tài)方程和參數(shù)水射流選用Null材料，采用Gruneisen狀?

1和m2為與光滑粒子相接觸的有限元的2個(gè)節(jié)點(diǎn)M2和M3的質(zhì)量;v1、v2、vi分別為節(jié)點(diǎn)M2、M3及粒子i調(diào)整前沿線段M2、M3法線方向的速度分量;v＇1、v＇2、v＇i為調(diào)整后的法向速度分量;r1、r2、ri為矢徑。根據(jù)式(1)可知M2、M3和i速度分量呈線性分布，通過插值方法對(duì)單元節(jié)點(diǎn)和光滑粒子位置進(jìn)行調(diào)整，使粒子沿滑移面法向方向回到剛好和滑移面相切位置。1．2計(jì)算模型建立水射流采用SPH粒子建模，煤體采用FEM建模。選取1/4的水射流和煤體進(jìn)行模擬(圖2)。水射流長度為50mm，半徑分別設(shè)定1．0～2．5mm，對(duì)稱面采用SPH_SYMMETＲY_PLANE對(duì)稱約束。煤體模型的長寬高均為20mm，底面和外圍側(cè)面采用BOUNDAＲY_NONＲEFLECTING透射界面，對(duì)稱面采用CONSTＲAINED_GLOBAL對(duì)稱約束。采用BOUNDAＲY_SPC_SET約束底面所有方向平動(dòng)和轉(zhuǎn)動(dòng)。水射流由11000個(gè)SPH粒子組成，，煤體結(jié)構(gòu)由8000個(gè)正六面體組成，采用CONTACT_EＲODING_NOTES_TO_SUＲFACE耦合接觸。1．3水的狀態(tài)方程和參數(shù)水射流選用Null材料，采用Gruneisen狀態(tài)方程，水高速?zèng)_擊狀態(tài)下的壓力p的表達(dá)式為:圖2水射流破煤模型p=ρoC2μ［1+(1－γ02)μ－a2μ2］［1－(S1－1)μ－S2μ2μ+1－S3μ3(μ+1)2］2+(γ0+aμ)E(2)式中:ρ0為水的初始密度;C為聲速;μ為體應(yīng)變，μ=(ρ/ρ0)－1;γ0為Gruneisen系數(shù);a為對(duì)γ0的一階體積校正量;S1、S2、S3為vs－vp曲線的斜率系數(shù);E為初始內(nèi)能。水的材料狀態(tài)參數(shù)見表1。表1水的狀態(tài)參數(shù)密度ρ0/(g·cm－3)聲速/(m·s－1)GruneisenC/系數(shù)體積校正

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