模拟深部岩石的加载装置结构设计与研究

摘要

随着我国基础工程建设和自然资源开发的蓬勃发展，出现了大量的深部巷道和隧洞。模拟和研究深部巷道和隧洞开发中的现象，可以为安全施工提供科学指导，因此设计研发动力灾害物理模拟试验系统显得很有必要。本课题研究的深部岩石加载装置是动力灾害物理模拟试验系统中加载系统的主要部分。旨在，在实验室环境中为岩石模型提供深部岩石的初始应力场。
　　本文首先对加载装置的国内外研究现状和加载装置在物理模拟试验系统方面的应用进行了概括总结。在对深部岩石的受力状况的分析基础上，提出了加载装置的功能需求，结合课题要求，提出了一种排缸框架式加载装置的整体设计方案。确定加载装置本体采用框架式结构，加载机构采用排缸进行均布式载荷施加，预紧机构采用拉杆-螺母预紧等，完成了加载装置的详细设计。对上料机构的传动原理进行了分析，对考虑立板弯曲开缝状况下的预紧系数进行了分析，对上料机构中的轨道轮、滑轮等进行了选型计算，对液压缸缸筒、活塞杆、活塞、拉杆等结构进行了计算。
　　其次，将CROE建立的加载装置的简化模型导入到ANSYS workbench中，定义加载装置的单元、网格类型、材料、接触关系，对加载装置进行载荷与约束施加。通过对加载装置进行静态有限元仿真，验证了预紧机构中预紧方法的合理性；验证了加载装置的整体外框架和主要部件（框架、立板、闸门等）结构设计的正确性，能完成本课题中对岩石模型进行3方向3200T静力载荷的施加。通过闸门的静态仿真，验证闸门的变形不会对底部轨道产生侧向挤压。并为后续的动力学分析提供相应的数据。
　　然后，用瞬态分析的理论，对加载装置进行模态分析，得到装置的各阶振型与频率，验证了冲击缸的冲击频率不会与装置发生共振。通过对加载装置进行冲击分析，得到一次冲击载荷作用下的挠度与冲量和厚度之间的影响关系；装置在循环冲击载荷作用下的疲劳特性。对立板进行冲击仿真，得到装置在循环冲击载荷作用下的变形与等效应力。通过与静力学分析结果的对比，得出冲击载荷对框架的影响相对于静载荷而言太小。
　　最后，完成加载装置的液压控制系统设计与仿真分析，包括独立液压缸伺服控制系统和双缸主从式同步液压控制系统的设计。对独立的液压系统，对系统元器件进行计算选型，利用 AMESim软件对系统进行了建模和低压空载、高压加载仿真分析；对同步控制系统，分析系统的传递函数，建立控制系统方框图，利用MATLAB软件对控制系统进行同步性仿真，验证了液压系统设计的正确性与可行性。

目录

声明

第1章 绪论

1.1 课题研究背景与意义

1.2 加载装置国内外研究现状

1.3 加载装置在物理模拟装置的应用

1.4 论文主要研究内容

第2章 深部岩石加载系统总体方案研究

2.1 引言

2.2 深部岩石的受力状况

2.3 脆性相似材料的选取

2.4 加载系统的设计要求

2.5 加载装置的方案选型与总体布置

2.6 加载装置本体结构设计

2.7 本章小结

第3章 加载装置主要部件静力学分析

3.1 引言

3.2 有限元法

3.3 深部岩石加载装置有限元模型的建立

3.4 加载装置框架静态有限元分析

3.5 本章小结

第4章 加载装置结构的动力学特性分析

4.1 引言

4.2 动力学分析理论基础

4.3 加载装置框架模态有限元分析

4.4 加载装置框架的冲击分析

4.5 本章小结

第5章 液压控制系统设计与建模仿真分析

5.1 引言

5.2 独立液压缸液压伺服控制系统

5.3 两个液压缸液压伺服同步控制系统

5.4 本章小结

结论

参考文献

攻读硕士学位期间发表的论文和取得的科研成果

致谢