Αριθμητική προσομοίωση εργαστηριακών δοκιμών κοπής πετρωμάτων με δίσκο

Χριστόπουλος, Παναγιώτης; Christopoulos, Panagiotis

dc.contributor.author	Χριστόπουλος, Παναγιώτης	el
dc.contributor.author	Christopoulos, Panagiotis	en
dc.date.accessioned	2020-12-03T06:44:16Z
dc.date.available	2020-12-03T06:44:16Z
dc.identifier.uri	https://dspace.lib.ntua.gr/xmlui/handle/123456789/52185
dc.identifier.uri	http://dx.doi.org/10.26240/heal.ntua.19883
dc.description	Εθνικό Μετσόβιο Πολυτεχνείο--Μεταπτυχιακή Εργασία. Διεπιστημονικό-Διατμηματικό Πρόγραμμα Μεταπτυχιακών Σπουδών (Δ.Π.Μ.Σ.) “Σχεδιασμός και Κατασκευή Υπόγειων Έργων”	el
dc.rights	Αναφορά Δημιουργού-Μη Εμπορική Χρήση-Όχι Παράγωγα Έργα 3.0 Ελλάδα	*
dc.rights.uri	http://creativecommons.org/licenses/by-nc-nd/3.0/gr/	*
dc.subject	Προσομοίωση	el
dc.subject	Simulation	en
dc.subject	Κοπή	el
dc.subject	Πέτρωμα	el
dc.subject	Cutting	en
dc.subject	Rock	el
dc.title	Αριθμητική προσομοίωση εργαστηριακών δοκιμών κοπής πετρωμάτων με δίσκο	el
dc.title	Numerical simulation of rock cutting processes with a disk cutter	en
heal.type	masterThesis
heal.classification	Κοπή πετρωμάτων	el
heal.classification	Rock cutting	en
heal.language	el
heal.access	campus
heal.recordProvider	ntua	el
heal.publicationDate	2020-07-23
heal.abstract	Η μοντελοποίηση των φαινομένων που αναπτύσσονται κατά την κοπή ή την εξόρυξη των πετρωμάτων, όπως η σύνθλιψη και η αποδόμηση του γεωϋλικού, αποτελούν χαρακτηριστικές περιπτώσεις για τις οποίες η κλασσική μηχανική του συνεχούς μέσου, αδυνατεί να δώσει λύσεις στα προβλήματα που παρουσιάζονται. Οι διακριτές μέθοδοι αναπαράστασης των φαινομένων που εξελίσσονται κατά τις διαδικασίες αυτές, αποτελούν τα πλέον χρήσιμα εργαλεία υπολογισμού. Η παρούσα εργασία, επιχειρεί να δημιουργήσει ένα πλαίσιο εντός της μεθόδου των διακριτών στοιχείων (discrete element method - DEM), με σκοπό την ανάπτυξη ενός αξιόπιστου μοντέλου πρόβλεψης των δυνάμεων που αναπτύσσονται επί κοπτικών εργαλείων δίσκου, καθώς και να αξιολογήσει τον τρόπο με τον οποίο επιδρά η μεταβολή της ταχύτητας και τo βάθος διείσδυσης, στο μηχανισμό αστοχίας του πετρώματος. Οι δυνάμεις που αναπτύσσονται κατά την κοπή των πετρωμάτων, επηρεάζουν την επίδοση και απόδοση των συστημάτων όρυξης, καθώς και της ενέργειας που δαπανάται και ως εκ’ τούτου την οικονομικότητα της εξορυκτικής διαδικασίας. Η συσκευή γραμμικής κοπής (LCM test), αποτελεί μία από της πιο αξιόπιστες μεθόδους προσδιορισμού των δυνάμεων, προσφέροντας τη δυνατότητα αναπαραγωγής των συνθηκών φόρτισης και των χαρακτηριστικών της κοπής, που σχετίζονται με το βάθος και την απόσταση μεταξύ γειτονικών κοπών, όμοιων με αυτών που συναντώνται στις πραγματικές διατάξεις των μηχανημάτων. Η αναπαραγωγή της διαδικασίας αυτής σε περιβάλλον ηλεκτρονικού υπολογιστή, απαλείφει τα προβλήματα που σχετίζονται με το κόστος κτήσης του εξοπλισμού και εκτέλεσης τέτοιων δοκιμών, ενώ επιτρέπει την επαναχρησιμοποίηση του μοντέλου, παρέχοντας τη δυνατότητα τροποποίησης των χαρακτηριστικών μεταβλητών της κοπής, όπως το βάθος και την ταχύτητα. Για το σκοπό αυτό, αναπτύχθηκε σύστημα κοπτικού - συνθετικού πετρώματος, αξιοποιώντας τη μέθοδο των διακριτών σωματιδίων. Ένα από τα κυριότερα ζητήματα κατά την ανάπτυξη μοντέλων διακριτών στοιχείων, είναι η εύρεση των μικροπαραμέτρων των δεσμών. Η διαδικασία αυτή καλείται βαθμονόμηση και αποσκοπεί στην επίτευξη της ίδιας μακροσκοπικής απόκρισης μεταξύ αριθμητικού μοντέλου και πραγματικού πετρώματος. Στην παρούσα εργασία, η βαθμονόμηση έγινε αναπαράγοντας δοκιμές ανεμπόδιστης μονοαξονικής θλίψης (UCS) και έμμεσου εφελκυσμού (BTS) σε περιβάλλον ηλεκτρονικού υπολογιστή και συγκρίνοντας τα αποτελέσματα, με εργαστηριακές μετρήσεις, ώσπου να υπάρξει ικανοποιητική συσχέτιση. Από τα αποτελέσματα κατασκευάστηκε δοκίμιο συνθετικού πετρώματος με το οποίο πραγματοποιήθηκαν εννέα δοκιμές χωρίς αλληλεπίδραση από γειτονικές κοπές, μεταβάλλοντας κάθε φορά το βάθος και την ταχύτητα εκτέλεσης των προσομοιώσεων. Επελέγησαν τρία βάθη κοπής 2, 3 και 5 mm, για κάθε ένα από τα οποία εκτελέστηκαν δοκιμές με ταχύτητα 5, 10 και 20 m/s. Από τις αναλύσεις που πραγματοποιήθηκαν προσδιορίστηκε η μεταβολή των δυνάμεων κοπής σε σχέση με την ταχύτητα και το βάθος κοπής. Συγκεκριμένα, με αύξηση της ταχύτητας εκτέλεσης των προσομοιώσεων παρατηρήθηκε αύξηση των τιμών τόσο της ορθής δύναμης, όσο και της δύναμης κύλισης. Παρόμοια συμπεριφορά παρατηρήθηκε και με την αύξηση του βάθους διείσδυσης. Επιπλέον, διαπιστώθηκε ότι με την αύξηση του βάθους κοπής, αυξάνει και ο λόγος των εφελκυστικών προς τις διατμητικές ρωγμές, καθώς και το μέγεθος της ζώνης «σύνθλιψης». Η συμπεριφορά αυτή οφείλεται στην αύξηση της πίεσης κάτω από το κοπτικό και παρατηρείται και στην περίπτωση μεταβολής της ταχύτητας κοπής. Για την αξιολόγηση του μοντέλου πραγματοποιήθηκε σύγκριση μεταξύ αριθμητικών και εργαστηριακών αποτελεσμάτων, τα οποία προέκυψαν κατά την εργαστηριακή μέτρηση των δυνάμεων σε ορθογνεύσιο Ικαρίας, στο πλαίσιο της διπλωματικής εργασίας του κ. Γ. Πατσίδη. Από τη σύγκριση βρέθηκε ικανοποιητική σχέση των τιμών της δύναμη κύλισης, ενώ παρουσιάζονται σημαντικές διαφορές στα μεγέθη της ορθής δύναμης. Για την αξιοποίηση του μοντέλου καθορίστηκαν σχέσεις που συνδέουν τα εργαστηριακά με τα αριθμητικά αποτελέσματα, με βάση τις οποίες είναι δυνατό να υπολογιστούν οι δυνάμεις κοπής με μεγάλη ακρίβεια.	el
heal.abstract	Modeling phenomena that occur when cutting rock materials, such as crushing and degradation of rock, are typical cases for which classical continuum mechanics fails to provide solution to the problems presented. The discrete modeling methods for representing these phenomena are considered the most suitable tools. The present thesis, aims to create a framework, within the Discrete Element Method (DEM), in order to develop a reliable prediction model of forces acting on disk cutters, as well as to evaluate, how changes in velocity and depth of penetration, affect the rock failure mechanism. The forces exerted on cutting tools, during rock cutting, affect the performance and efficiency of the mining systems, as well as the energy consumed, and therefore the economics of the mining process. The linear cutting machine (LCM) test, is one of the most reliable methods for determining the cutting forces, offering the ability to reproduce the loading conditions and cutting characteristics, associated with the depth of cut and the distance between adjacent cuts, similar to those encountered in the field. Reproducing this process in a computer environment, eliminates the problems associated with the cost of acquiring the equipment and executing such tests, while allowing the model to be reused. For this purpose, a system of cutting tool - numerical rock was deployed, utilizing the method of discrete particles in three dimensions. One of the main issues governing the development of discrete models, is finding the contact model parameters. This process is called calibration and aims into achieving the same macroscopic response between a numerical model and an actual rock sample. In the present thesis, calibration was performed by replicating uniaxial compression (UCS) and indirect tensile (BTS) tests, in a digital computer and comparing the results with laboratory measurements until a satisfactory correlation was obtained. From the results, a numerical rock specimen was constructed, on which nine tests were performed, without interaction of adjacent cuts, varying each time the depth of penetration and the speed of simulations. Three cutting depths of 2, 3 and 5 mm, were selected and for each, tests were performed at speed of 5, 10 and 20 m/s. From the analyses carried out, it was found that the cutting forces change with the cutting speed and depth. In particular, with the increase in the speed of simulations, an increase in the values of normal and rolling forces was observed. Similar behavior was observed with increasing the penetration depth. In addition, it was found that with increasing depth, the ratio of tensile to shear cracks increases, as well as the size of the “crushed” zone beneath the cutter. This behavior is due to the increase of pressure bellow the disk and is observed in the case of increased speed as well. For the evaluation of the model, a comparison was made between the numerical results and those that were previously obtained during laboratory measurements on an orthogneiss from West Ikaria in Mr. G. Patsidi’s thesis. By comparison, a good relationship between the rolling force values was found. On the other hand, significant differences were found in the normal force values. In order to exploit the model, the relationship between laboratory and numerical results was determined, on the basis of which, the cutting forces can be calculated accurately.	en
heal.advisorName	Μιχαλακόπουλος, Θεόδωρος	el
heal.committeeMemberName	Μιχαλακόπουλος, Θεόδωρος	el
heal.committeeMemberName	Παναγιώτου, Γεώργιος	el
heal.committeeMemberName	Νομικός, Παύλος	el
heal.academicPublisher	Εθνικό Μετσόβιο Πολυτεχνείο. Σχολή Μηχανικών Μεταλλείων Μεταλλουργών	el
heal.academicPublisherID	ntua
heal.numberOfPages	149 σ.	el
heal.fullTextAvailability	false