中国矿业大学马百龙：基于MatDEM的三维离散元破岩模拟(9月1日)
导读：大家好，我是马百龙，中国矿业大学深部国家重点实验室岩土工程博士二年级在读，主要从事TBM智能快速掘进及巷道围岩控制方面的研究。很幸运能够获得2023年MatDEM奖学金特等奖，也非常荣幸能够受仿真秀平台邀请参与“2023年MatDEM奖学金线上讲座”。在此致谢仿真秀和南京大学刘春老师及其团队提供的帮助和支持。
9月1日19时，我将与各位老师、同学分享我学习MatDEM的一些经验与过程。与此同时，作为MatDEM离散元软件的初学者，希望与各位志同道合的朋友一起交流探讨、共同进步。最后诚邀大家关注我的公开课，详情见后文。
一、研究背景
我国是煤炭生产和消费大国，煤矿以井工开采为主，需要建设大量开拓和准备巷道。在巷道掘进过程中，传统的钻爆法或综掘法施工粉尘大、施工效率低，而具有安全、高效、环保等诸多优势的全断面隧道掘进机（Tunnel Boring Machine, TBM）技术自2018年起逐渐在我国煤矿推广使用。无论钻爆法施工还是TBM掘进技术，都离不开刀具破岩问题。对刀具与岩石相互作用关系的研究，除了关乎到破岩机理与刀具磨损外，在围岩地质条件信息识别方面，也具有重要意义和价值。
作为围岩条件精准实时探测的重要手段，随钻测量技术（Measure While Drilling, MWD）及隧道随钻地震超前探测技术（Tunnel Seismic While Drilling, TSWD）正在被大量研究。在数值模拟研究领域，研究者通过各类方法的探索，比较认可颗粒离散元方法(DEM)对刀具破岩具有更好的模拟效果。然而由于模型尺寸及计算成本的限制，一般离散元软件很难实现巨量颗粒岩体模型的三维破岩模拟。基于此，本次讲座将针对以上MWD技术及TSWD技术，分别介绍基于高性能离散元软件MatDEM软件的PDC钻头破岩模拟及滚刀回转破岩模拟。
二、裂隙岩体PDC钻头破岩模拟案例应用
1、完整岩体建模
参照已有工程示例，采用MatDEM软件堆积颗粒方式建立岩样，模型箱的大小为0.3×0.15×0.2 m，综合考虑模型箱内PDC钻头的导入及计算效率，确定最终岩样模型的尺寸为0.1×0.1×0.1 m，颗粒半径介于1.6~2.4mm，堆积后的岩样单元颗粒总数为143,343个。
在颗粒流DEM中，通常有两种方法来预制裂纹。一种是通过删除岩体内的特定颗粒在岩体中形成开放式裂隙，另一种方法是断开颗粒之间的连接键以生成闭合裂纹。本研究采用第二种预制裂隙方法，通过在先前建立的完整岩体范围内筛选出随机裂隙对应的颗粒范围，然后断开颗粒间的连接键，生成随机裂隙。具体方法为：①在岩体范围内利用rand函数随机确定要生成的裂隙中心位置、倾角、长度；②检索裂隙范围内对应的颗粒；③断开检索到的颗粒间的连接键，形成随机裂隙面；④计算裂隙颗粒占比，确定裂隙密度。根据工程现场中最常用的φ32双齿PDC钻头的形状，建立双齿钻头团簇单元模型。建模过程中设置钻头颗粒间的重叠率为0.7，使钻齿更加光滑，减少了颗粒间隙与摩擦的影响。为了能够使破岩过程中的颗粒正常飞出，并综合考虑模拟计算速度与效率，仅构建了钻齿部分。最后，制作出齿长30mm、齿边宽12mm的钻头样品。钻头模型共由22,000个颗粒组成。此外，将钻头视为刚体，忽略了钻井过程中磨损和变形的影响。
4、钻进参数设置及模拟结果
本研究中PDC钻头的运动方式为“前进+旋转”同步运行，转速固定为2.4 r/s，模拟钻进速率v为5 mm/s、10 mm/s和20 mm/s三种工况。破岩过程中，由于无法直接监测钻头的钻进推力Fp和扭矩M，本研究通过编写代码间接监测了钻头受力。具体方法为：每当钻头运行一个时间步，就通过代码检索与岩体接触的钻齿颗粒，然后监测这些颗粒的三方向受力及位置，最终通过受力分析公式计算推力Fp和扭矩M。
与案例一同样的建模步骤，建立滚刀回转破岩模型。其中，岩石模型由约214,000个颗粒组成，颗粒半径为2.5~10mm。模型左边界和上边界为自由边界，其余边界受到墙体单元限制，为固定边界。滚刀模型只构建了刀圈部分，参考工程中常用的19英寸盘形滚刀（即CCS）的形状，利用MatDEM软件中的团簇模型（Clump）进行建模，其中滚刀直径为483mm，刀圈厚度20mm，平均颗粒半径为4.15mm，颗粒间的重叠比为0.7，最终构建成的盘形滚刀由7735个颗粒单元组成。滚刀破岩三维数值模拟中，前期研究基本以滚刀线性切割岩石为主。而相比于滚刀线性切割破岩，回转切割破岩更符合TBM实际工作时的破岩模式。因此，为更真实地模拟TBM盘形滚刀的破岩过程，本研究通过自己编写代码实现滚刀“公转+自转”的回转运动形式进行破岩模拟。其中，滚刀公转代码可参考MatDEM帮助手册中的d.rotateGroup命令旋转指定组的单元，比较容易实现。而滚刀自转代码需要通过编写颗粒单元坐标的转换矩阵函数实现，具体代码赋下，供参考。为保证滚刀破岩过程中的滚动距离至少为滚刀的周长（即滚刀至少旋转一周），综合考虑数值模型的大小和软件的计算效率，确定滚刀破岩的公转半径为0.5m。参考工程实例，设定盘形滚刀的贯入度为10mm，切削速度为6.5 m/s，旋转角速度为27 rad/s，最终滚刀破岩完成后滚刀自转2周。为精细化模拟滚刀破岩过程，模拟中的阻尼系数采用系统的默认阻尼，模拟过程分4000步，各步内平衡迭代600次，以保证每迭代步平衡后系统中的动能完全消耗，最终耗时84h模拟真实滚刀破岩过程0.48s。MatDEM软件是基于Matlab语言而开发的一款软件，掌握Matlab编程是学好MatDEM的基础。在初学阶段建议先把刘春老师编写的《地质与岩土工程矩阵离散元分析》教材与教学视频详细地过一遍，教材中详细介绍了MatDEM的理论基础，除此之外还将具有代表性模拟案例的源代码进行了详细说明，这为初学者指明了方向。在刘春老师的教学视频中不仅有MatDEM的理论教学，而且还涉及详细的MatDEM使用与代码编写教程，这些内容对于MatDEM初学者都会有很大的帮助。通过这两个方面的学习可以基本掌握软件的基本原理及具体使用步骤。俗话说“眼看千遍，不如手动一遍”，在掌握软件的基础知识和基本原理之后，一定要动手尝试去做一个与自己研究方向的模拟，哪怕非常简单的都可以。自己动手做非常大的一个好处就是，可以加深对原理或者代码功能的理解，学以致用。在编写代码和运行代码的过程中，可以对以前教材或者视频里讲解的知识和原理吃的不透或者不理解的地方，自己去试算，很多细节的东西需要在实操中慢慢体会，并学会运用。在编写代码以及运行的过程中，我们会遇到非常多的问题，建议最好是先自己去尝试解决，比如查阅教材、仿真秀网站视频资料、Excel帮助手册、Matlab帮助手册、或者求助中国知网和Web of Science网站里的相关论文。当然，也可以向刘春老师建立的QQ交流群咨询，或者QQ群里刘辉老师每周四召开的MatDEM交流答疑会。解决的途径是多方面的，我相信，只要自己持之以恒，总会得到理想的答案和结果。要学会总结、善于总结，俗话说“好记性不如烂笔头”，学习软件中大多数情况下遇到的都是一些小的问题，每次解决了一个小的问题后，列个表格总结下出现这个问题的原因是什么，解决后的方案是什么，为什么会出现这样的问题三个方面，以后再遇到类似问题的时候去总结表格中搜一下关键词，就会重拾当时的解决方案，往复几次之后此类问题就不再是问题。一些自己编写的比较常用的代码也可以放到总结表格，下次用的时候可以直接拷贝，省时省力。为了助力离散元技术的发展和应用、推动MatDEM用户之间的交流与学习，自2023年8月17日起，“2023MatDEM奖学金-线上讲座”正式启动，我们邀请了几位不同研究领域的获奖同学来进行讲座，届时5位优秀的同学将在仿真秀平台分享国产MatDEM离散元软件在科研和工程案例中的应用，与大家共同探讨、一起进步。
MatDEM奖学金（三）：基于MatDEM的三维离散元破岩模拟-仿真秀直播
9月1日19时，中国矿业大学深部国家重点实验室岩土工程马百龙博士将在仿真秀官网和APP同步直播《基于MatDEM的三维离散元破岩模拟》,作者将向我们介绍随机裂隙岩体的建立方法、基于MatDEM的钻头破岩及滚刀破岩模拟流程、MatDEM在破岩模拟中的优势和使用MatDEM软件需要注意的问题等。获赞 9303粉丝 20577文章 3228课程 207
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