基于ABAQUS对岩土切削的数值模拟分析*

王 明，李国义

(东北石油大学 机械科学与工程学院，黑龙江 大庆 163318)

基于ABAQUS对岩土切削的数值模拟分析*

王 明，李国义

(东北石油大学 机械科学与工程学院，黑龙江 大庆 163318)

应用ABAQUS分析软件对多轴搅拌连续墙切削刀具对岩土切削进行有限元模拟，应用软件中扩展的Drusker-Prager材料本构模型和材料的剪切失效准则，建立了刀具切削岩土的三维数学模型，得到了岩土切削的变化过程岩土以及切削力的变化规律。模拟结果为回转刀具对砂土的切削提供了理论参考。

ABAQUS；多轴搅拌连续墙；Drusker-Prager材料本构模型；剪切失效

0 引 言

多轴搅拌连续墙施工机械的切削刀具是钻机工作的主要部件，多轴搅拌连续墙一般在软土地质条件下施工，刀具对土体进行旋转切削[1]。切削过程中刀具与土体不确定因素较多，因此采用有限元数值模拟法对岩土的切削过程进行研究，揭示岩土与刀具的作用机理，对后期改进刀具使用寿命具有重要意义。

1 切削土体三维动态仿真模型

1.1 土体材料本构模型

使用水压力p和广义剪应力q表达的D-P(Druker-Prager)屈服准则为：

F=q-ptanα-d=0

(1)

设塑性势函数与屈服函数具有相似的形式为：

G=q-ptanβ

(2)

式(1)和(2)中，α、β和d是模拟材料的力学参数，称为Druker-Prager准则的内摩擦角，广义剪胀角和广义单轴抗压强度。可以通过Mohr-Coulomb准则的黏聚力c、内摩擦角φ和剪胀角φ换算得到。Druker-Prager模型的屈服函数和塑性势函数的一阶导数为：

(3)

(4)

式中：

1.2 岩土切削分离准则

切屑分离准则，是在有限元计算过程中，用于判断刀尖前方切屑与基体连接处的质点分离与否的判别依据[2]。分离准则主要分物理准则和几何准则两种类型，在进行切削有限元模拟时物理分离准则使模拟结果更接近实际情况，因此模拟时采用剪切损伤定义的剪切失效物理分离准则[3]。ABAQUS中模型通过材料失效参数ωs来确定材料单元是否失，ωs由下式确定：

刀具对岩土进行回转切削，在切削过程中岩土断裂应变≤0 的岩土单元视为死单元。

1.3 有限元模型模拟

对刀具切削进行理论研究，设定刀具在软土中进行回转切削最大切削速度30r/min，建立如图1所示的无间断连续墙切削刀具对岩土切削的三维模型。

图1 岩土切削简化模型

岩土模型尺寸直径800 mm，厚度40 mm，切削深度20 mm，模型网格采用C3D4单元划分网格。计算机仿真时Druker-Prager岩土模型主要参数设置见表1。表中μ为刀具岩土材料的摩擦系数。

表1 切削仿真模拟岩土参数

在模拟时刀具采用刚体材料，将刀具绕y轴旋转速度，沿y轴负向下速度都施加在与刀具刚性固定的参考点上。岩土模型底面侧面施加全约束载荷。

2 模拟结果与分析

为研究刀具对岩土的切削机理，现选用回转刀具对砂土模型的切削为研究对象，图2为切削过程等效力云图。

图2 不同时刻土的等效应力图

切削力大小反应切削的难易程度，是切削过程中最重要的参数之一。图3～6是切削过程中X、Y、Z方向的切削力变化曲线。从图2可以看出，刀具不断向前切削，模型等效应力区域也不断向前变化，因此各分图的最大应力值不同。切削过程中当土的等效塑性变形超过本身材料失效准则所设定的值时，单元失效删除。

图3 刀具X方向反作用力

图4 刀具Y方向反作用力

图5 刀具Z方向反作用力

图6 刀具绕Y轴的反作用扭矩

从图3～6曲线的走向可以看出，刀具在切削过程中受到较大的冲击，造成载荷骤然升高。在回转切削过程中刀具受到变载荷的作用，这主要是由于分析软件中岩土材料断断续续的达到分离准则而被删除，刀具受力不连续导致的。刀具绕Y轴旋转速度为30r/min，摩擦应力与摩擦压强使刀具受到绕Y轴旋转的反作用扭矩，反作用扭矩为钻具强度、功率的配置提供参考。

3 结 语

(1) 通过控制网格的失效准则和岩土的本构模型，应用大型有限元软件建立了多轴搅拌无间断连续墙刀具对岩土切削的三维分析模型。

(2) 以刀具对砂土的切削为例，研究在切削过程中刀具所受到的反作用力的变化情况以及反作用扭矩的变化情况。

(3) 刀具在对岩土进行切削时，刀具与岩土之间的摩擦应力与接触应力引起的刀具X、Y、Z三个方向的反作用力，为切削刀具以及刀具座板、钻具之间的连接分析提供了外载，为动力头动力元件的选取提供理论依据。

[1] 郭 峰，赵伟民，李瑰贤.旋挖切削土阻力的理论分析与试验研究[J].岩土力学，2007，28(12)：2666-2670.

[2] 李立明，徐向红，郭 峰,等.点式冲击刀具切削应力分析[J].建筑机械化，2007(9)：28-30.

[3] 周里群，邢 国，刘 宏,等.基于ABAQUS的沥青混凝土铣削建模[J].建设机械技术与管理，2010 (5)：97-100.

Numerical Analysis of the Cutting Process for Rock and Soil Based on ABAQUS

WANG Ming，LI Guo-yi

(NortheastPetroleumUniversity，MechanicalScienceandEngineeringCollege，DaqingHeilongjiang163318,China)

Numerical simulation is done by ABAQUS analysis software which applied in multi-axis applications stirred continuous wall cutting tool for cutting rock and soil. By Drusker-Prager and the shear failure criteria which are software extensions material constitutive model, a three-dimensional mathematical geotechnical model of cutting tool is established. The change process of rock and soil is got，as well as the variation of cutting force. The simulation results provide a theoretical reference for the rotation of the cutting tool of sand.

ABAQUS；multiaxial stirred continuous wall；material constitutive model；shear failure

2014-01-09

王 明(1986-)，男，黑龙江齐齐哈尔人，硕士，研究方向：安全技术及工程。

TG5

A

1007-4414(2014)02-0115-02