加热辅助冻土切削有限元模拟及分析

摘要

由于冰胶结力的作用，冻土强度是未冻土强度的10～20倍。使用常规挖掘方法和工具，冻土开挖效率低下、刀具的磨损严重。受到破碎冻土方式和机械设备的限制，为了进一步提高冻土开挖的效率，有必要对冻土切削的力学特征和新式冻土破碎方法进行研究。考虑到冻土强度随着温度的升高而显著降低，具有显著的温度敏感性这一特征，可以将加热辅助切削或称为热切削技术应在冻土切削中。为研究冻土切削破碎的规律性和加热辅助冻土切削的可行性，本文利用显式有限元程序LS-DYNA对冻土切削过程和加热辅助冻土切削过程进行了数值模拟分析。　　本文选用HJC模型和弹塑性热相关材料模型模拟冻土在切削过程中的力学行为。首先，利用LS-DYNA软件和HJC模型以及相应的模型参数，考虑刀具和冻土之间的摩擦力作用，建立冻土二维正交切削模型。研究了在冻土切削过程中不同切削速度、切削深度和刀具前角条件下，刀具切削力、冻土应力场和冻土破碎形态的变化规律。计算结果表明：冻土切削过程中，冻土主要是脆性破坏；切削力具有波动性，切削力与切削距离之间表现为明显的波动变化关系；刀具前角对冻土破碎形态影响明显；在冻土切削过程中，冻土切削深度和刀具前角对切削力影响较大，而切削速度对切削力的影响不大；冻土切削力随着速度的增加而略有增大，随着切削深度的增加而近似线性增大。　　然后，基于有限元程序LS-DYNA对加热辅助冻土切削热传导过程以及加热刀具和悬浮热板辅助冻土切削过程进行有限元模拟。模拟结果表明：由于冻土具有较大的容积热容量和较小的导热系数，冻土是热传导的不良导体，热量很难向冻土深处快速传递，加热刀具和悬浮热板对冻土作用局限在很小的范围内；由于表层冻土的相变潜热的作用，传递的热量主要消耗在冻土表层。加热刀具和悬浮热板向冻土深处传递热量具有速度慢、深度浅、表面相变潜热消耗大的特点。通过对加热辅助冻土切削的有效性和可行性进行分析可知，对于加热刀具辅助冻土切削，在本文设定热生成条件下，通过研究不同热接触下的平均切削力变化规律，发现随着热接触条件的改变，冻土切削力变化不明显，只减小了5％左右。这说明对于加热刀具辅助冻土切削，刀具需要在较高温度下和较低速度才能起到效果。对于悬浮热板辅助冻土切削，冻土抗切削强度的削弱并不是十分明显，冻土的抗切削强度需要较长的加热时间（5s）才能降低20%左右。

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第一章 绪论

1.1 研究背景与意义

1.2 冻土的物理和力学特征

1.3 国内外研究现状

1.4 本文研究的主要内容及研究思路

第二章 有限元数值模拟方法

2.1 ANSYS/LS-DYNA程序简介

2.2 传热有限元分析

第三章 冻土二维正交切削数值模拟研究

3.1 HJC本构模型简介

3.2 有限元模型的建立

3.3 冻土二维正交切削模拟结果分析

3.4 本章小结

第四章 加热辅助冻土切削数值模拟分析

4.1弹塑性热相关本构模型简介

4.2 加热辅助冻土切削有限元模型的建立

4.3 加热刀具辅助冻土切削有限元模拟结果分析

4.4 悬浮热板辅助冻土切削过程有限元模拟结果分析

4.5 本章小结

第五章 结论与展望

5.1 结论

5.2 展望

参考文献

在学期间的研究成果

致谢