【技术实现步骤摘要】
本专利技术属于巷道围岩控制领域，具体涉及一种预应力锚杆支护仿真方法。
技术介绍
1、预应力锚杆支护是巷道围岩控制领域一种常用技术，在巷道及硐室围岩加固中发挥着至关重要的作用。在预应力锚杆支护中，预应力锚杆需要与托盘配合使用。在张拉锚杆时，托盘受压并对围岩施加压缩正应力，从而能够对围岩施加主动约束作用，控制围岩变形。
2、随着数值仿真技术快速发展，研究人员围绕锚杆支护提出不同的数值仿真方法。但现有研究普遍针对的是锚杆自身杆体与围岩的接触作用，忽略了锚杆、托盘、围岩三者之间的作用关系。针对该问题，少数研究人员从以下三个方面开展了研究工作。
3、第一种方法是将锚杆外侧与围岩壁接触点处锚固剂内聚力设置为非常大。采用这种方法将锚杆外侧与围岩壁黏结住，从而模拟托盘将锚杆外侧与围岩壁进行连接。但其过度简化了托盘，存在诸多缺点。首先，这种方法通过设置指定点处锚固剂内聚力非常大进而模拟托盘，仅考虑了那一点处锚杆与围岩间连接作用，无法反映托盘在其表面积范围内对围岩的约束作用。其次，在实际工况中，施工人员可以使用不同表面积的托盘以实现对围岩不同的控制效果。通过设置指定点处锚固剂内聚力非常大，无法反映不同表面积托盘对围岩控制效果的差异。
4、针对第一种方法的缺陷，前人提出了第二种仿真方法，即使用壳单元(shell)或衬砌单元(liner)模拟托盘并与锚杆连接。但这种仿真方法同样存在不足。首先，壳单元或衬砌单元需要附着在网格表面生成。考虑到托盘具有一定形状(如圆形、三角形、方形)和表面积，需要将与托盘接触的网格划分成指
5、针对上述缺陷，前人提出了第三种仿真方法。将预应力施加期间的围岩、锚杆假设为弹性变形；建立锚杆支护作用模型；移除托盘后，加载拉力；然后安装托盘，撤去拉力。但仍然存在一定不足。首先，围岩为弹塑性材料。若围岩处于松散破碎状态，在高预应力条件下，托盘附近围岩极有可能发生塑性变形。因此，在预应力施加期间，将围岩假设为弹性变形与实际工况并不完全相符。其次，在这种仿真方法中，托盘对围岩的挤压作用依靠的是先张拉锚杆，后撤去拉力，锚杆发生的弹性回缩。在实际工况中，张拉机具作用在托盘上，随后张拉锚杆。因此，张拉机具对托盘的压缩作用是在张拉锚杆且锚杆发生弹性伸长过程中发生的。因此，在仿真过程中，依靠锚杆弹性回缩挤压托盘，与实际工况并不一致。而且，在仿真过程中，需要先移除托盘，施加拉力；随后安装托盘，撤去拉力。在实际工况中，需要先安装托盘，然后施加拉力。因为，一旦对锚杆施加拉力后，托盘由于中空孔较小，无法穿过张拉机具再安装至围岩表面。因此，仿真工序与实际施工工序不符。最后，这种仿真方法同样未考虑托盘的滑脱失效问题。
6、因此，本专利提出一种预应力锚杆支护仿真方法，对揭示预应力锚杆支护作用原理，反映锚杆、托盘、围岩之间力学作用关系等具有重要意义。
技术实现思路
1、本专利技术的目的在于提出一种预应力锚杆支护仿真方法。该方法克服了前人仿真方法中无法有效模拟托盘、无法模拟托盘滑脱失效、托盘对围岩挤压作用并非来自锚杆弹性伸长、仿真工序与施工工序不同等缺陷，能够有效模拟预应力锚杆支护。
2、本专利技术采用如下技术方案，提供一种预应力锚杆支护仿真方法，包括：使用锚结构单元(cable)模拟锚杆并将整根锚杆分三次生成，分别是围岩作用段锚杆、托盘作用段锚杆、托盘外侧段锚杆，并设置id编号分别为1、2、3；使用structure node join命令将围岩作用段锚杆、托盘作用段锚杆、托盘外侧段锚杆依次连接；对全部锚结构单元设置材料参数，包括young、cross-sectional-area、yield-tension、grout-stiffness；设置id为1的锚结构单元材料参数，包括grout-cohesion、grout-friction、grout-stiffness、grout-perimeter；在id为2的锚结构单元范围内，利用zone create命令生成网格，并命名为"plate"，用以模拟托盘；在"plate"网格内侧面上生成id为10的分界面；设置id为10的分界面材料参数，包括stiffness-normal、stiffness-shear、cohesion、friction、tension；设置"plate"网格本构模型为各向同性弹性模型，并设置相应材料参数，包括young、poisson、density；对id为3的锚结构单元最外侧节点施加平行于锚杆延伸方向的拉力f，以模拟预应力；对"plate"网格外侧面施加法向应力σ；定义fish函数checking，要求fish函数checking在每个时间步自动执行，利用其检查是否已成功施加预应力。
3、作为上述技术方案的进一步描述：
4、所述围岩作用段锚杆与所述托盘作用段锚杆存在一个共点；所述托盘作用段锚杆与所述托盘外侧段锚杆存在一个共点。
5、作为上述技术方案的进一步描述：
6、所述围岩作用段锚杆内部构件数量大于等于10；所述托盘作用段锚杆内部构件数量等于1；所述托盘外侧段锚杆内部构件数量等于1。
7、作为上述技术方案的进一步描述：
8、对全部锚结构单元设置材料参数时，将grout-stiffness设置为1gpa。
9、作为上述技术方案的进一步描述：
10、利用zone create命令生成"plate"网格时，"plate"网格三维几何形状与拟模拟托盘一致，且"plate"网格厚度与id为2的锚结构单元长度一致。
11、作为上述技术方案的进一步描述：
12、所述"plate"网格内侧面是指"plate"网格中靠近id为1的锚结构单元一侧的面；所述"plate"网格外侧面是指"plate"网格中靠近id为3的锚结构单元一侧的面。
13、作为上述技术方案的进一步描述：
14、所述id为10的分界面材料参数中，stiffness-normal、stiffness-shear均为1gpa；cohesion、tension均为0；friction根据托盘与围岩间摩擦系数设置。
15、作为上述技术方案的进一步描述：
16、对id为3的锚结构单元最外侧节点施加拉力f时，利用id为3的锚结构单元最外侧节点的component-id定位。
17、作为上述技术方案的进一步描述：
18、对"plate"网格外侧面施加的法向应力σ按照第一公式计算。
19、作为上述技术方案的进一步描述：
【技术保护点】
1.一种预应力锚杆支护仿真方法，其特征在于：包括使用锚结构单元(cable)模拟锚杆并将整根锚杆分三次生成，分别是围岩作用段锚杆(1)、托盘作用段锚杆(2)、托盘外侧段锚杆(3)，并设置ID编号分别为1、2、3；使用structure node join命令将围岩作用段锚杆(1)、托盘作用段锚杆(2)、托盘外侧段锚杆(3)依次连接；对全部锚结构单元设置材料参数，包括young、cross-sectional-area、yield-tension、grout-stiffness；设置ID为1的锚结构单元材料参数，包括grout-cohesion、grout-friction、grout-stiffness、grout-perimeter；在ID为2的锚结构单元范围内，利用zone create命令生成网格，并命名为"plate"，用以模拟托盘；在"plate"网格内侧面上生成ID为10的分界面(6)；设置ID为10的分界面(6)材料参数，包括stiffness-normal、stiffness-shear、cohesion、friction、tension；设置"plate"网格本
2.根据权利要求1所述的一种预应力锚杆支护仿真方法，其特征在于，所述围岩作用段锚杆(1)与所述托盘作用段锚杆(2)存在一个共点；所述托盘作用段锚杆(2)与所述托盘外侧段锚杆(3)存在一个共点。
3.根据权利要求1所述的一种预应力锚杆支护仿真方法，其特征在于，所述围岩作用段锚杆(1)内部构件数量大于等于10；所述托盘作用段锚杆(2)内部构件数量等于1；所述托盘外侧段锚杆(3)内部构件数量等于1。
4.根据权利要求1所述的一种预应力锚杆支护仿真方法，其特征在于，对全部锚结构单元设置材料参数时，将grout-stiffness设置为1GPa。
5.根据权利要求1所述的一种预应力锚杆支护仿真方法，其特征在于，利用zonecreate命令生成"plate"网格时，"plate"网格三维几何形状与拟模拟托盘一致，且"plate"网格厚度与ID为2的锚结构单元长度一致。
6.根据权利要求1所述的一种预应力锚杆支护仿真方法，其特征在于，所述"plate"网格内侧面是指"plate"网格中靠近ID为1的锚结构单元一侧的面；所述"plate"网格外侧面是指"plate"网格中靠近ID为3的锚结构单元一侧的面。
7.根据权利要求1所述的一种预应力锚杆支护仿真方法，其特征在于，所述ID为10的分界面(6)材料参数中，stiffness-normal、stiffness-shear均为1GPa；cohesion、tension均为0；friction根据托盘与围岩间摩擦系数设置。
8.根据权利要求1所述的一种预应力锚杆支护仿真方法，其特征在于，对ID为3的锚结构单元最外侧节点施加拉力F时，利用ID为3的锚结构单元最外侧节点的component-id定位。
9.根据权利要求1所述的一种预应力锚杆支护仿真方法，其特征在于，对"plate"网格外侧面施加的法向应力σ按照第一公式计算。
10.根据权利要求1所述的一种预应力锚杆支护仿真方法，其特征在于，所述fish函数checking逻辑结构如下：定义变量n为0；定义变量pnt_structure并将锚结构单元头指针赋值给变量pnt_structure；遍历全部锚结构单元；在遍历至每一锚结构单元时，判断变量pnt_structure指向的锚结构单元ID号是否等于3；若为是，判断pnt_structure指向的锚结构单元轴向拉力是否大于等于拉力F；若为是，按照第二公式计算n；待遍历完成全部锚结构单元后，判断n是否等于安装的锚杆数量；若为是，移除所有锚杆外端头的拉力F，并将ID为2的锚结构单元grout-cohesion按照第三公式计算结果设置。
11.根据权利要求1所述的一种预应力锚杆支护仿真方法，其特征在于，所述第一公式为：其中F为对ID为3的锚结构单元最外侧节点施加的拉力；A为托盘横截面积；所述第二公式为n＝n+1，其中n为变量；所述第三公式为其中τ为托盘滑脱失效时单位长度的剪切力；Fs为托盘滑脱失效时对应的剪切力；l为托盘厚度。
...【技术特征摘要】
1.一种预应力锚杆支护仿真方法，其特征在于：包括使用锚结构单元(cable)模拟锚杆并将整根锚杆分三次生成，分别是围岩作用段锚杆(1)、托盘作用段锚杆(2)、托盘外侧段锚杆(3)，并设置id编号分别为1、2、3；使用structure node join命令将围岩作用段锚杆(1)、托盘作用段锚杆(2)、托盘外侧段锚杆(3)依次连接；对全部锚结构单元设置材料参数，包括young、cross-sectional-area、yield-tension、grout-stiffness；设置id为1的锚结构单元材料参数，包括grout-cohesion、grout-friction、grout-stiffness、grout-perimeter；在id为2的锚结构单元范围内，利用zone create命令生成网格，并命名为"plate"，用以模拟托盘；在"plate"网格内侧面上生成id为10的分界面(6)；设置id为10的分界面(6)材料参数，包括stiffness-normal、stiffness-shear、cohesion、friction、tension；设置"plate"网格本构模型为各向同性弹性模型，并设置相应材料参数，包括young、poisson、density；对id为3的锚结构单元最外侧节点施加平行于锚杆延伸方向的拉力f，以模拟预应力；对"plate"网格外侧面施加法向应力σ；定义fish函数checking，要求fish函数checking在每个时间步自动执行，利用其检查是否已成功施加预应力。
2.根据权利要求1所述的一种预应力锚杆支护仿真方法，其特征在于，所述围岩作用段锚杆(1)与所述托盘作用段锚杆(2)存在一个共点；所述托盘作用段锚杆(2)与所述托盘外侧段锚杆(3)存在一个共点。
3.根据权利要求1所述的一种预应力锚杆支护仿真方法，其特征在于，所述围岩作用段锚杆(1)内部构件数量大于等于10；所述托盘作用段锚杆(2)内部构件数量等于1；所述托盘外侧段锚杆(3)内部构件数量等于1。
4.根据权利要求1所述的一种预应力锚杆支护仿真方法，其特征在于，对全部锚结构单元设置材料参数时，将grout-stiffness设置为1gpa。
5.根据权利要求1所述的一种预应力锚杆支护仿真方法...
【专利技术属性】
技术研发人员：陈见行，张文博，马俊明，曾班全，
申请(专利权)人：中国矿业大学北京，
类型：发明
国别省市：
还没有人留言评论。发表了对其他浏览者有用的留言会获得科技券。