一种融合地质环境的掘锚机耦合仿真方法技术

本发明专利技术提供了一种融合地质环境的掘锚机耦合仿真方法，包括步骤S1、创建截割头的四面体网格模型；步骤S2、构建表征地质环境的离散元颗粒模型；步骤S3、构建融合地质环境的掘锚机离散元模型，用于输出载荷力；步骤S4、载荷力转换；步骤S5、确定并更新有限元inp文件，再经有限元软件计算得到仿真结果。应用本发明专利技术获得的仿真结果更加真实逼近实际情况。本发明专利技术能够评估地质环境对掘锚机截割头的载荷作用，并能进行动态分析，可提高掘锚机结构强度仿真精度、精准评估掘锚机性能。精准评估掘锚机性能。精准评估掘锚机性能。

【技术实现步骤摘要】
一种融合地质环境的掘锚机耦合仿真方法


[0001]本专利技术涉及掘锚机
，具体涉及一种融合地质环境的掘锚机耦合仿真方法。

技术介绍

[0002]业内对掘锚机作业过程中的工况载荷往往依赖经验设定极限载荷，并以此进行校核评估。考虑到掘锚机作业过程与服役地质环境具有强耦合关系，故上述经验设定方式存在以下问题：
[0003]1)经验设定方式具有一定的局限性，不一定能反应真实情况。
[0004]2)在掘锚机作业过程中，掘锚机随工作姿态变化所受载荷是非均匀的，直接加载单个集中力与实际工况存在较大差异。
[0005]3)施工环境所在的地质条件复杂多变，存在煤层、砂岩以及煤层含夹矸等多种不同地质条件，仿真分析时不能采用均匀地质统一表达。
[0006]因此，在掘锚机设计阶段，如何融合地质环境提高仿真精度、精准评估掘锚机力学性能是本
人员所面临的技术难题。

技术实现思路

[0007]本专利技术目的在于提供一种融合地质环境的掘锚机耦合仿真方法，能够在掘锚机设计阶段融合地质环境，以提高掘锚机性能仿真精度、精准评估掘锚机性能。其具体技术方案如下：
[0008]一种融合地质环境的掘锚机耦合仿真方法，包括以下步骤：
[0009]步骤S1、创建截割头的四面体网格模型
[0010]首先，采用三维CAD软件创建掘锚机截割头几何模型；其次，采用hypermesh将所述截割头几何模型划分成四面体网格模型；将所述四面体网格模型导入到离散元软件中自动提取其表面网格信息，以构建离散元模型；同时，将所述四面体网格模型导入到有限元软件中自动提取其表面网格信息和体网格信息，以构建有限元模型，有限元模型与离散元模型中的表面网格信息一一映射；
[0011]步骤S2、构建表征地质环境的离散元颗粒模型
[0012]向离散元软件中导入步骤S1创建的所述四面体网格模型中的表面网格信息，所述离散元软件自动识别该表面网格信息中的三角形单元；根据识别的三角形单元对应的截割头尺寸，结合其截割进深，同时，借助颗粒材料参数、接触参数和力学参数，构建表征地质环境的离散元颗粒模型；
[0013]步骤S3、构建融合地质环境的掘锚机离散元模型，用于输出载荷力
[0014]采用离散元软件结合掘锚机截割头以及步骤S2获得的离散元颗粒模型构建融合地质环境的掘锚机离散元模型，用于输出截割头面网格信息上的每个三角形单元随时间变化的载荷力；
[0015]步骤S4、载荷力转换
[0016]在步骤S3中输出的每个三角形单元的载荷力经数据处理过程转换到有限元软件中每个三角形单元的三个节点上，并依次生成节点集文件NsetResult.csv、载荷文件Amplitude.txt和加载文件CloadResult.csv；
[0017]步骤S5、确定并更新有限元inp文件，再经有限元软件计算得到仿真结果
[0018]向有限元软件中导入步骤S1创建的所述四面体网格模型中的体网格信息，输出有限元inp文件，并经确定步骤确定有限元inp文件；将确定后的有限元inp文件经步骤S4中的节点集文件NsetResult.csv、载荷文件Amplitude.txt和加载文件CloadResult.csv依次更新后提交至有限元软件中计算，计算结束后即可得到仿真结果，所述仿真结果包括融合地质环境的掘锚机各种动态条件下的结构强度和变形结果。
[0019]可选的，在步骤S3中包括以下步骤：
[0020]步骤S3.1、定义掘锚机运动规律，所述截割头的作业动作包括抬起截割臂至巷道顶部、掏槽、下拉和收回清底，采用离散元软件建模模拟掏槽和下拉的作业动作，其运动规律由移动和自转复合而成，通过离散元软件中的分段函数定义其运动规律；
[0021]步骤S3.2、定义求解参数，并构建融合地质环境的掘锚机离散元模型以输出载荷力，所述求解参数包括截割头材料参数、总时长和时间步长；其中，所述截割头材料参数包括密度、泊松比和剪切模量；所述总时长包括步骤S3.1中所述掏槽和下拉作业动作对应的总时长，所述时间步长为自适应时间步长；采用离散元软件结合掘锚机截割头以及步骤S2获得的离散元颗粒模型构建融合地质环境的掘锚机离散元模型，进而对所述求解参数迭代计算输出截割头面网格信息上的每个三角形单元随时间变化的载荷力。
[0022]可选的，在步骤S4中，所述数据处理过程是以有限元软件中的某个节点坐标为基准，画一个半径为r的球体，其中r的取值范围为0.1mm
‑
0.2mm；若所述掘锚机离散元模型中的截割头表面三角形节点的坐标落入到所述球体内，则认为离散元软件中的节点与有限元软件中的节点匹配对应。
[0023]可选的，在步骤S5中的确定步骤包括以下内容：
[0024]步骤S5.1、确定所述截割头的材料参数，具体包括截割头的密度、泊松比和弹性模量；
[0025]步骤S5.2、确定所述截割头的边界条件，在沿所述截割头长度方向的中心轴线上设有用于安装转动轴的通孔，以所述通孔的内表面作为所述截割头的固定约束边界条件；
[0026]步骤S5.3、采用静力学求解模型分析所述截割头的受力情况，其中，设置增量步；
[0027]步骤S5.4、经步骤S5.1
‑
S5.3设置后，重新导出包含截割头体网格信息、材料参数、边界条件和求解模型的有限元inp文件。
[0028]可选的，在步骤S5中更新所述有限元inp文件包括以下步骤：
[0029]步骤S5.5、将步骤S4中所得的节点集文件NsetResult.csv中的内容插入到步骤S5.4获得的所述有限元inp文件中的关键字符EndAssembly前面，每一个节点创建一个节点集；
[0030]步骤S5.6、将步骤S4中所得的载荷文件Amplitude.txt中的内容插入到所述有限元inp文件中的关键字符EndAssembly后面，将离散元软件中的各三角形单元载荷分解到节点上；
[0031]步骤S5.7、将步骤S4中所得的加载文件CloadResult.csv中的内容插入到所述有限元inp文件中的关键字符LOADS后面，实现离散元软件中的各三角形单元的载荷力与有限元节点力载荷一一映射，以更新所述有限元inp文件。
[0032]可选的，所述步骤S2中的地质环境为煤层地质环境；
[0033]在步骤S2中，所述颗粒材料参数根据地质环境采样要求设置，具体包括颗粒的密度、泊松比和剪切模量；
[0034]所述接触参数包括颗粒间的碰撞恢复系数、颗粒间的静摩擦系数、颗粒间的动摩擦系数、颗粒与截割头间的碰撞恢复系数、颗粒与截割头间的静摩擦系数以及颗粒与截割头间的动摩擦系数；
[0035]所述力学参数由选择的颗粒接触模型确定，所述颗粒接触模型为bonding接触模型，用于模拟颗粒间的粘结效果；所述bonding接触模型采用的力学参数包括在粘结断裂点的单位面积法向刚度、单位面积剪切刚度、临界法向应力和临界剪切应力。<本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种融合地质环境的掘锚机耦合仿真方法，其特征在于，包括以下步骤：步骤S1、创建截割头的四面体网格模型首先，创建掘锚机截割头几何模型；其次，将所述截割头几何模型划分成四面体网格模型；将所述四面体网格模型导入到离散元软件中自动提取其表面网格信息，以构建离散元模型；同时，将所述四面体网格模型导入到有限元软件中自动提取其表面网格信息和体网格信息，以构建有限元模型，有限元模型与离散元模型中的表面网格信息一一映射；步骤S2、构建表征地质环境的离散元颗粒模型向离散元软件中导入步骤S1创建的所述四面体网格模型中的表面网格信息，所述离散元软件自动识别该表面网格信息中的三角形单元；根据识别的三角形单元对应的截割头尺寸，结合其截割进深，同时，借助颗粒材料参数、接触参数和力学参数，构建表征地质环境的离散元颗粒模型；步骤S3、构建融合地质环境的掘锚机离散元模型，用于输出载荷力采用离散元软件结合掘锚机截割头以及步骤S2获得的离散元颗粒模型构建融合地质环境的掘锚机离散元模型，用于输出截割头面网格信息上的每个三角形单元随时间变化的载荷力；步骤S4、载荷力转换在步骤S3中输出的每个三角形单元的载荷力经数据处理过程转换到有限元软件中每个三角形单元的三个节点上，并依次生成节点集文件、载荷文件和加载文件；步骤S5、确定并更新有限元inp文件，再经有限元软件计算得到仿真结果向有限元软件中导入步骤S1创建的所述四面体网格模型中的体网格信息，输出有限元inp文件，并经确定步骤确定有限元inp文件；将确定后的有限元inp文件经步骤S4中的节点集文件、载荷文件和加载文件依次更新后提交至有限元软件中计算，计算结束后即可得到仿真结果，所述仿真结果包括融合地质环境的掘锚机各种动态条件下的结构强度和变形结果。2.根据权利要求1所述的融合地质环境的掘锚机耦合仿真方法，其特征在于，在步骤S3中包括以下步骤：步骤S3.1、定义掘锚机运动规律，所述截割头的作业动作包括抬起截割臂至巷道顶部、掏槽、下拉和收回清底，采用离散元软件建模模拟掏槽和下拉的作业动作，其运动规律由移动和自转复合而成，通过离散元软件中的分段函数定义其运动规律；步骤S3.2、定义求解参数，并构建融合地质环境的掘锚机离散元模型以输出载荷力，所述求解参数包括截割头材料参数、总时长和时间步长；其中，所述截割头材料参数包括密度、泊松比和剪切模量；所述总时长包括步骤S3.1中所述掏槽和下拉作业动作对应的总时长，所述时间步长为自适应时间步长；采用离散元软件结合掘锚机截割头以及步骤S2获得的离散元颗粒模型构建融合地质环境的掘锚机离散元模型，进而对所述求解参数迭代计算输出截割头面网格信息上的每个三角形单元随时间变化的载荷力。3.根据权利要求2所述的融合地质环境的掘锚机耦合仿真方法，其特征在于，在步骤S4中，所述数据处理过程是以有限元软件中的某个节点坐标为基准，画一个半径为r的球体，其中r的取值范围为0.1mm
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0.2mm；若所述掘锚机离散元模型中的...

【专利技术属性】
技术研发人员：刘飞香，廖金军，凡遵金，王永胜，蒋海华，胡及雨，吴士兰，
申请(专利权)人：中国铁建重工集团股份有限公司，
类型：发明
国别省市：