Научная электронная библиотека
Монографии, изданные в издательстве Российской Академии Естествознания
АВТОПРОЕКТИРОВАНИЕ ГОРНЫХ МАШИН В 3D: ПРОЕКТНО-МОДЕЛЬНЫЙ ПОДХОД
Бейсембаев К. М., Жолдыбаева Г. С., Дёмин В. Ф., Малыбаев Н. С., Шманов М. Н.,
1.4. Студент и развитие исследовательских направлений
Для студента понятие Родной дом и Университет должны быть достаточно близкими и в этом смысле в рамках изучаемой дисциплины он должен иметь представление о том, как развивалась она раньше при «дедах и отцах» и что было лучше: те старые методики или то, что они имеют сегодня. Это харктеризует и развитие университета во времени, его соответсвие современным требованиям. Скорее всего они захотят что бы накопленный опыт не терялся. В КарГТУ широкое внимание уделялось исследованиям разрушения горных пород. В 60-е года этой проблемой занимался один из основателей кафедры «Горные машины» проф. Кичигин А.Ф. им была создана и обоснована гипотеза контуров, которая позволяла выполнить анализ разрушения породы за счёт исследования напряженно-деформированного состояния контура рассматриваемого блока, в том числе в зоне действия инструмента. Контур мог быть и на удалении от инструмента и даже совпадать с контуром разрушаемого образца. Это удивляло студента, ведь считается, что трещина должна развиваться от инструмента. Эти процессы исследовал и будущий ректор КарГТУ ассистент кафедры Г.Г. Пивень, который применил метод скоростной киносъёмки и методы фотоупругости, когда напряжения в модели образца вычислялись на основе анализа цветных и черно-белых полос при поляризации пропускаемого через модель света. Исследователи полагали, что для полного представления картины разрушения необходимы данные как минимум трех различных методов. В частности, использовался теоретический анализ на основе теории изгиба напряженных пластинок Тимошенко С.К., где принимал участие и один из авторов этой книги. Завершающим этапом считалось проведение натурального разрушения породы, спроектированной машиной или её эквивалентом. Огромное познавательное значение играло и непосредственное участие студента в изготовлении новой машины, здесь он видел сочетание проектых работ, технологии изготовления, вникал в изворотливость специалистов завода, когда они определялись с регламентами и материалом исходя из возможностей производства. Сразу подчеркнем интерес студентов к тому, что у нас уже не используется и заменено компьютерными технологиями, которые в данном случае справляются с проблемой не на 100 %. Фотоупругое моделирование особенно примененое в комплексе с разрушением блоков породы и сегодня заменить нечем. Дело в том что набрызг тонкой фотоупругой прозрачной пленки на разрушаемую порду в отраженном свете давал в сочетании со скоростной сьёмкой реальную деформацию и напряжения перед бегушей трещиной! Существовала и стимуляция студента в виде небольшой прибавки к стипендии по должности лаборанта и т. п. Проблемы трещинообразования исследовал также проф. Лазуткин А.Г. и проф. Векслер Ю.А. [1, 36], рассмотревшие взаимодействие инструмента ударного струга с забоем на этапе существенного внедрения резца в массив.
Точность моделирования зависит от наличия качественного исследовательского оборудования. Так на кафедре «Механика разрушения горных пород» плодотворности работы способствовал богатый выбор материала для эквивалентного моделирования, токарных, шлифовальныхстанков для приготовления моделей из твердых компонентов и специальных растворов (зав. каф. к.т.н., доц. Акимочкин П.В.) простых и сложных поляриметров (ПКС-500), КСП-7, для исследования анализа НДС, что позволяло предлагать и обосновывать механизмы разрушения горных пород, включая и моделирование взрывной отбойки на блоках сшитого полистирола (Шарапиев, Айдарова М.А.), развивались методы численного анализа НДС вокруг выработок (проф. Колоколов С.Б.) в сочетании с практикой наблюдения смещений в шахтных условиях контура выработок реперными станциями [37]. Для анализа устойчивости и разрушения подземных выработок и лав впервые в Караганде на кафедре РМПИ был применён метод конечных элементов МКЭ (проф. Векслер Ю.А., асп. Тутанов С.К.) ими были разработаны первые программы МКЭ для мощных ЭВМ типа МИНСК, на основе которых удалось выполнить расчеты для шахт Караганды. Широкому внедрению результатов в производство и в частности, на ш. Костенко, им. 50-летия СССР и др. способствовали руководители ПО Карагандауголь Презент Г.М., Брагин Е.П. Определенный вклад в разработку программного обеспечения на основе МКЭ применительно к устойчивости целиков Жезказгана выполнен Халмановым Х.Ж. Дальнейшее развитие метод получил исследованиями Нургожина М.Р. – первого проректора КарГТУ, внедрившему стандартизованные пакеты типа Ansys, с помошью которых в дальнейшем выполнялся прочностной анализ одной из лучших для тех времён механизированной крепи М-130 изготовляемой на заводе «КарГорМаш» (Альтер И.М. и др.). К моделированию и проектированию механизированных крепей в её взаимодействии с боковыми породами предъявляются самые сложных требования поскольку они работают в условиях гигантского давления кровли, возможности горных ударов и выбросов угля и газа. которые не имеют место для других технологических машин. В Караганде могли и создавали такую технику. И студент, справляющийся с заданиями, чувствовал уверенность в своих творческих способностях, способности быть участником и победителем в лучших научно-технологических проектах человеческой цивилизации. Ракурс в историю развития моделирования горных процессов в КарГТУ при проведении занятий по дисциплинам, связанных с моделированием и проектированием горного оборудования позволяет продемонстрировать значимость этих методов для производства. Студент через непосредственную причастность Университета, ППС, изучаемых естественнонаучных дисциплин, современных информационных технологий к разработке наукоёмких технологий, получает главную мотивацию своей деятельности – возможность творческого участия в разработке систем управления современными процессами горных технологий. Не смотря на распространённость компьютерных технологий, по-прежнему важной особенностью познания остается использование дублирующих методов исследования, сохранения временной целостности обучения, когда учитываются новые технологии и наработанный опыт старой школы, работа в тесной связи с производством, что является обязательным в системе обучения. Анализ изучения работы передовых фирм показывает, что их успех это сохранение коллективов имеющих многолетние традиции проектирования продукции с широким применением систем программирования и моделирования в соединении с новыми технологиями и подготовкой кадров на основе фундаментального подхода к исследованиям. Это одинаково важно и для фирм, занимающихся космическими исследованиями, робототехникой и, например, при разработке горных технологий. Главный содержание обучения – максимальное приближение к передовому производству, к тому, где студент должен познать реальность инноваций и получить шкалу для оценивания знаний, которые он получает в вузе, их соответствие современным требованиям производства, так возникает обратная связь в сложных системах. Можно утверждать, что современное использование компьютерных технологий в области разрушения горных пород было подготовлено не одним поколением ученых КарГТУ и умелое сохранение и развитие технологий приводит к успеху. На рис. 1.13 и 1.14, приведён учебный пример обсуждения со студентами модели взаимодействия инструмента с блоком породы, который позволяет представить временную связь экспериментальных исследований, проводимых на кафедре ГМ и О, начиная с 70 годов с современными компьютерными технологиями моделирования в 3D. В прошлом, на основе анализа напряженного состояния, на основе объёмного фотоупругого моделирования с «замораживанием» напряжений, была предложена схема построения траектории трещины, учитывающая направления главных напряжений, продемонстрировано совпадение теоретических выкладок, и стендового эксперимента, что позволило уточнить параметры разрушения угля. Впоследствии механизм разрушения был обоснован и на основе компьютерного моделирования в 3D (рис. 1.14). Новые исследования показали необходимость учета образования пластического ядра, а прежний аппарат теперь рассматривается как экспериментальное дополнение. Это позволило уточнить пути совершенствования метода, а также найти его аналогии в других областях науки. Была показана определенная универсальность исследований, если они опираются на наукоёмкие технологии. Данные на рис. 13 получены при моделировании взаимодействия двух конусных инструментов с блоком породы. Укажем, что при моделировании по предложению студентов мы использовали внедрение дополнительных объёмов в блок с целью лучшего измельчения сетки, а также выделения таких «тонких» моментов деформирования, как образование пластической зоны. Дальнейший ход решения предлагаем понять из приведённого кода.
Рис. 1.13. Траектории трещин при действии двух инструментов при разрушении углецементного блока (а); на основе метода фотоупругости (б), (слева поле изоклин, справа поле изостат); 1 – место контакта массива с инструментом
а б
в
Рису. 1.14. Напряженное состояние при действии двух инструментов: а – σх; б – σу; в – распределение напряжений вдоль линии соединяющей центры инструментов; 1 – σх; 2 – σу
/NOPR !переход к объмной задаче
/PMETH,OFF,0
KEYW,PR_SET,1
KEYW,PR_STRUC,1
KEYW,PR_THERM,0
KEYW,PR_FLUID,0
KEYW,PR_ELMAG,0
KEYW,MAGNOD,0
KEYW,MAGEDG,0
KEYW,MAGHFE,0
KEYW,MAGELC,0
KEYW,PR_MULTI,0
KEYW,PR_CFD,0
/GO
/prep7
/UNITS,SI!расчеты в с.СИ
ET,1,SOLID92! ds,jh rjytx ‘ktv bp ,b,k/
VSBV, 2,
1BLOC,-0.04,0.09,-0.035,0.035,0.02,-0.06
VGLUE, ALL
CONE,0,0.01,0,0.02,0,360,
FLST,3,1,6,ORDE,1
FITEM,3,3
VGEN,2,P51X, , ,0.05, , , ,0
FLST,3,2,6,ORDE,2
FITEM,3,3
FITEM,3,-4
VSBV, 1,P51X
CONE,0,0.01,0,0.02,0,360,
VGLUE, ALL
FLST,3,1,6,ORDE,1
FITEM,3,3
VGEN,2,P51X, , ,0.05, , , ,0
FLST,3,2,6,ORDE,2
FITEM,3,3
FITEM,3,-4
VSBV, 1,P51X
CONE,0,10,0,20,0,360,
VGLUE, ALL
FLST,3,1,6,ORDE,1
FITEM,3,3
VGEN,2,P51X, , ,0.05, , , ,0
VGLUE, ALL
lesize,38,0.0015
lesize,39,0.0015
lesize,40,0.0015
lesize,37,0.0015
lesize,41,0.0015
lesize,42,0.0015
lesize,32,0.0015
lesize,31,0.0015
lesize,30,0.0015
lesize,29,0.0015
lesize,2,0.0015
lesize,3,0.0015
lesize,4,0.0015
lesize,1,0.0015
lesize,5,0.0015
lesize,6,0.0015
lesize,33,0.0015
lesize,36,0.0015
lesize,34,0.0015
lesize,33,0.0015
lesize,35,0.0015
lesize,25,0.003
lesize,26,0.003
lesize,27,0.003
lesize,28,0.003
lesize,17,0.003
lesize,16,0.003
!назначение материалов при построении сетки
!РАЗРУШАЕМЫЙ БЛОК
TYPE, 1 ! КОНЕЧНЫ ЭЛЕМЕНТ 1 для всех объёмов
MAT, 1! устанавливает аттрибуты материала, по умолчанию используется первый материал из списка
MSHKEY,0! сомнение, регламетирует вид сетки
VMESH,2,7
!ИНСТРУМЕНТ
TYPE, 1
MAT, 2
MSHKEY,0! регламетирует вид сетки
VMESH,5,6
FINISH
/SOL
EQSLV,PCG,1E-8
FLST,2,1,5,ORDE,1
FITEM,2,17
!*
/GO
DA,P51X,UZ,
FLST,2,1,5,ORDE,1
FITEM,2,10
!*
/GO
DA,P51X,UY,
FLST,2,2,5,ORDE,2
FITEM,2,11
FITEM,2,-12
!*
/GO
DA,P51X,UX,
! /REPLOT,RESIZE
FLST,2,2,5,ORDE,2
FITEM,2,2
FITEM,2,-3
/GO
!*
SFA,P51X,1,PRES,16000000
! /REPLOT,RESIZE
! /STATUS,SOLU
SOLVE
MPTEMP,,,,,,,,
MPTEMP,1,0 ! температура
MPDATA,EX,1,,3e5 ! модуль упругости
MPDATA,PRXY,1,,0.3! коэф. пуасона
MPDATA,DENS,1,,2000! плотность
MPTEMP,,,,,,,,
MPTEMP,1,0
MPDATA,EX,2,,2e11
MPDATA,PRXY,2,,0.2
MPDATA,DENS,2,,7000
BLOC,-0.04,0.09,-0.035,0.035,0.02,-0.06
BLOC,-0.2,0.25,-0.04,0.15,0.02,-0.06