加熱輔助凍土切削有限元模擬及分析.pdf

1、由于冰膠結(jié)力的作用，凍土強(qiáng)度是未凍土強(qiáng)度的10～20倍。使用常規(guī)挖掘方法和工具，凍土開挖效率低下、刀具的磨損嚴(yán)重。受到破碎凍土方式和機(jī)械設(shè)備的限制，為了進(jìn)一步提高凍土開挖的效率，有必要對凍土切削的力學(xué)特征和新式凍土破碎方法進(jìn)行研究。考慮到凍土強(qiáng)度隨著溫度的升高而顯著降低，具有顯著的溫度敏感性這一特征，可以將加熱輔助切削或稱為熱切削技術(shù)應(yīng)在凍土切削中。為研究凍土切削破碎的規(guī)律性和加熱輔助凍土切削的可行性，本文利用顯式有限元程序LS-DYN

2、A對凍土切削過程和加熱輔助凍土切削過程進(jìn)行了數(shù)值模擬分析。
　　本文選用HJC模型和彈塑性熱相關(guān)材料模型模擬凍土在切削過程中的力學(xué)行為。首先，利用LS-DYNA軟件和HJC模型以及相應(yīng)的模型參數(shù)，考慮刀具和凍土之間的摩擦力作用，建立凍土二維正交切削模型。研究了在凍土切削過程中不同切削速度、切削深度和刀具前角條件下，刀具切削力、凍土應(yīng)力場和凍土破碎形態(tài)的變化規(guī)律。計算結(jié)果表明：凍土切削過程中，凍土主要是脆性破壞；切削力具有波動性，切

3、削力與切削距離之間表現(xiàn)為明顯的波動變化關(guān)系；刀具前角對凍土破碎形態(tài)影響明顯；在凍土切削過程中，凍土切削深度和刀具前角對切削力影響較大，而切削速度對切削力的影響不大；凍土切削力隨著速度的增加而略有增大，隨著切削深度的增加而近似線性增大。
　　然后，基于有限元程序LS-DYNA對加熱輔助凍土切削熱傳導(dǎo)過程以及加熱刀具和懸浮熱板輔助凍土切削過程進(jìn)行有限元模擬。模擬結(jié)果表明：由于凍土具有較大的容積熱容量和較小的導(dǎo)熱系數(shù)，凍土是熱傳導(dǎo)的不良

4、導(dǎo)體，熱量很難向凍土深處快速傳遞，加熱刀具和懸浮熱板對凍土作用局限在很小的范圍內(nèi)；由于表層凍土的相變潛熱的作用，傳遞的熱量主要消耗在凍土表層。加熱刀具和懸浮熱板向凍土深處傳遞熱量具有速度慢、深度淺、表面相變潛熱消耗大的特點。通過對加熱輔助凍土切削的有效性和可行性進(jìn)行分析可知，對于加熱刀具輔助凍土切削，在本文設(shè)定熱生成條件下，通過研究不同熱接觸下的平均切削力變化規(guī)律，發(fā)現(xiàn)隨著熱接觸條件的改變，凍土切削力變化不明顯，只減小了5％左右。這說明