基于ABAQUS模拟镐形截齿截割脆性煤岩

### 基于ABAQUS模拟镐形截齿截割脆性煤岩 #### 一、镐形截齿截割煤岩参数模型 ##### 1.1 镐形截齿形状与材料属性 镐形截齿是煤矿机械中常用的切割工具之一，在煤矿开采过程中起到至关重要的作用。在选择镐形截齿时，需考虑煤岩的性质和切屑厚度等因素，以确定合适的截齿尺寸。本文研究中使用的镐形截齿型号为U43KL/C22，合金头锥角设定为75°。其他主要尺寸见下图1。 **图1** 镐形截齿结构和尺寸 - **齿身**：负责支撑合金头，并传递力至煤岩。 - **合金头**：直接与煤岩接触，承担切割任务。 **表1** 镐形截齿材料属性及几何参数 | 材料 | 弹性模量/MPa | 泊松比 | 密度/kg·m⁻³ | |------|--------------|--------|-------------| | 硬质合金 | 6.5E5 | 0.22 | 2400 | | 42CrMo | 2E5 | 0.3 | - | 42CrMo是一种超高强度钢，具有良好的综合性能，适合用于制作镐形截齿。硬质合金则因其高硬度和耐磨性而被选作合金头材料。 ##### 1.2 模拟煤岩的混凝土模型与参数 煤岩具有复杂的物理和力学性质，例如层理、节理等特点，这些特点使得煤岩成为一种典型的各向异性非匀质材料。为了更好地模拟镐形截齿切割煤岩的过程，研究采用了ABAQUS软件中的脆性材料破裂本构模型来描述煤岩的宏观力学特性。这种模型采用连续介质法来建立混凝土模型，而不是采用宏观离散裂纹的方法。这样可以在每一个积分点上单独计算裂纹的发展情况。 **图2** 煤岩和弹脆性材料拉伸应力-应变曲线 - **1.理想弹脆性材料** - **2.天然煤** 从图2可以看出，利用ABAQUS中的混凝土脆性破裂模型能够很好地模拟天然脆性煤的力学特性。**表2**给出了煤岩的脆性破裂模型参数。 **表2** 煤岩的脆性破裂模型参数 | 弹性模量/MPa | 泊松比 | 密度/kg·m⁻³ | 抗拉强度/MPa | 破裂应变 | |----------------|--------|--------------|---------------|----------| | 4200 | 0.25 | - | 15.5 | 0.0062 | #### 二、有限元模型的建立 在ABAQUS软件中，模拟仿真过程主要包括以下几个步骤： 1. **前处理**： - 实体建模：构建镐形截齿和煤岩的三维模型。 - 定义材料参数：设置不同材料的物理属性，如弹性模量、泊松比等。 - 定义单元类型：选择合适的有限元网格类型。 - 有限元划分：对模型进行网格划分，确保模型精度和计算效率之间的平衡。 2. **加载条件**： - 施加边界条件：如固定约束或运动约束等。 - 加载荷载：模拟镐形截齿对煤岩的作用力。 3. **求解**： - 选择求解器：对于动态问题，通常选用动力学显式有限元方法。 - 设置时间步长和其他求解参数。 4. **后处理**： - 分析模拟结果：如应力分布、三向力等。 - 可视化处理：通过图形方式展示模拟结果，便于理解和解释。 通过上述步骤，可以有效地模拟镐形截齿切割脆性煤岩的过程，进而分析截齿的应力分布、三向力变化、煤岩应力场及其断裂路径等关键指标，为优化截齿设计和提高采矿效率提供科学依据。 通过使用ABAQUS软件进行模拟分析，不仅可以深入了解镐形截齿在切割脆性煤岩过程中的力学行为，还能为改进设计和提高开采效率提供有力支持。这对于提升煤矿机械设备的性能和安全性具有重要意义。