基于离散元法的机械破岩多参数耦合与预切槽协同效应研究

基于离散元法的机械破岩多参数耦合与预切槽协同效应研究

李钢¹,石利伟²,石鑫垒²,杜坤²,胡国宏¹,王萍¹,王少锋^1,2

摘要: 针对镐型截齿破岩过程中切削深度、攻击角与预切槽的协同作用机制不明问题，采用离散元软件 MatDEM 构建二维破岩模型，通过全因子设计系统分析线性切削阶段的刀具力动态特性、裂纹扩展模式及预切槽影响。研究发现：浅切深下破岩以“张拉主导”，攻击角 40°-55° 时平均切削力稳定在 80-90 N，对应张拉裂纹数量 550-600 条；深切深转向“剪切主导”，平均切削力随攻击角增至 60° 时达 150 N，剪切裂纹维持 850-950 条。预切槽通过诱导力链重分布，促进表层剥落，深切深时强化“剪切破碎区”穿透性破坏。基于配位数云图揭示的细观接触演化，建立“切深-攻击角-预切槽”协同判据：针对砂岩（中硬岩），浅切深适 40°-50° 攻击角加以预切槽控制损伤，深切深推荐 55°-60° 攻击角加以预切槽提升效率，为截齿破岩参数优化提供跨尺度理论支撑。

关键词: 镐型截齿; 切削深度; 攻击角; 预切槽

图1 DEM模型和颗粒之间的接触模型

图2 参数标定模型

图3 单轴压缩试验结果与模拟结果：(a) 单轴压缩应力-裂纹曲线；(b) 单轴压缩数值模拟模型及加载； (c) 单轴压缩数值模拟裂纹情况；(d) 单轴压缩室内试验

图4 巴西劈裂试验结果与模拟结果：(a) 巴西劈裂位移-裂纹曲线；(b) 巴西劈裂数值模拟模型及加载； (c) 巴西劈裂数值模拟裂纹情况；(d) 巴西劈裂室内试验

图5 线性切削模型：（a）镐型截齿；（b）切削 深度;（c）预切槽

图11 切削过程中单元配位数情况

李钢，石利伟，石鑫垒，杜坤，胡国宏，王萍，王少锋．基于离散元法的机械破岩多参数耦合与预切槽协同效应研究[J/OL]．应用力学学报. https://link.cnki.net/urlid/61.1112.O3.20251016.1705.002