Αριθμητική προσομοίωση της εργαστηριακής κοπής πετρωμάτων με μηχανικά μέσα

Abstract

In the present dissertation, the Discrete Element Method (DEM) was used to simulate laboratory rock cutting with a drag cutter. The realistic representation of the cutting force over time, as well as the failure mechanism observed in the laboratory tests, was treated as a problem of selecting appropriate values for the micro-parameters. More specifically, a calibration method was proposed using the principles of Design of Experiments (DOE) and optimization techniques. Using the Plackett-Burman and Central Composite Design (CCD) methods, equations were derived that link the micro-parameters to the average cutting forces, and an optimal set of micro-parameters was determined using the Sequential Least Squares Quadratic Programming (SLSQP) method. The study revealed that the micro-parameters, particularly the interaction range coefficient, significantly affect the cutting force history and the fracture mechanisms. The macroscopic response of the fully calibrated numerical model was evaluated both qualitatively and quantitatively in terms of the ratio of the simulated Mean Cutting Force (MCF) to the actual MCF from laboratory tests. The results showed that the cutting force from the simulation qualitatively matches the actual cutting force of the test and approximates it with an average deviation of around 3%. Through this research, a calibration protocol for the micro-parameters was developed to achieve realistic simulation of rock cutting. A comprehensive investigation of the simulation environment was carried out regarding the realism of rock cutting. The results were evaluated not only in terms of the Mean Cutting Force but also in the full time domain and frequency spectrum. The interaction range coefficient can model the microstructure of rocks and reveal the true failure mechanism and the creation of fragments that occur during cutting.

Στην παρούσα διατριβή, η Μέθοδος Διακριτών Στοιχείων (DEM) χρησιμοποιήθηκε για την προσομοίωση της εργαστηριακής κοπής πετρωμάτων με κοπτικό συρόμενου τύπου. Η ρεαλιστική αναπαράσταση της δύναμης κοπής στο φάσμα του χρόνου καθώς και του μηχανισμού αστοχίας που παρατηρήθηκαν από τις εργαστηριακές δοκιμές μεταφράστηκε ως ένα πρόβλημα επιλογής κατάλληλων τιμών των μικροπαραμέτρων. Πιο συγκεκριμένα προτάθηκε μια μέθοδος βαθμονόμησης χρησιμοποιώντας τις αρχές του Σχεδιασμού Πειραμάτων (DOE) και τεχνικές βελτιστοποίησης. Χρησιμοποιώντας τις μεθόδους Plackett-Burman και Κεντρικού Σύνθετου Σχεδιασμού (ΚΣΣ), προέκυψαν εξισώσεις που συνδέουν τα μικροπαραμέτρους με τις μέσες δυνάμεις κοπής, και προσδιορίστηκε ένα βέλτιστο σύνολο μικροπαραμέτρων με τη χρήση της μεθόδου Βελτιστοποίησης Διαδοχικών Τετραγώνων (SLSQP). Η μελέτη αποκάλυψε ότι οι μικροπαράμετροι, και ιδιαίτερα ο συντελεστής εύρους αλληλεπίδρασης, επηρεάζουν σημαντικά την ιστορία των δυνάμεων κοπής και τους μηχανισμούς θραύσης. Η μακροσκοπική απόκριση του πλήρως βαθμονομημένου αριθμητικού μοντέλου αξιολογήθηκε τόσο ποιοτικά όσο και ποσοτικά σε όρους λόγου της ΜΔΚ από την προσομοίωση προς την πραγματική ΜΔΚ από εργαστηριακές δοκιμές. Τα αποτελέσματα έδειξαν ότι η δύναμη κοπής από την προσομοίωση ταυτίζεται ποιοτικά με την πραγματική δύναμη κοπής της δοκιμής, και την προσεγγίζει με μέση απόκλιση της τάξης του 3%. Μέσα από την παρούσα έρευνα αναπτύχθηκε ένα πρωτόκολλο βαθμονόμησης των μικροπαραμέτρων για την επίτευξη ρεαλιστικής προσομοίωσης της κοπής. Εκτελέστηκε πλήρης διερεύνηση του περιβάλλοντος προσομοίωσης στον ρεαλισμό της κοπής πετρωμάτων. Τα αποτελέσματα αξιολογήθηκαν όχι μόνο ως προς τη Μέση Δύναμη Κοπής, αλλά στο πλήρες πεδίο του χρόνου και στο φάσμα συχνοτήτων. Ο συντελεστής εύρους αλληλεπίδρασης μπορεί να μοντελοποιήσει την μικροδομή των πετρωμάτων και να αναδείξει τον πραγματικό μηχανισμό αστοχίας και της δημιουργίας θραυσμάτων που συμβαίνουν κατά την κοπή.