高海水围压条件下多金属硫化物的破碎机理

为研究高海水围压条件下截齿在切削海底块状多金属硫化物(SMS)过程中的破碎机理,考虑海底块状硫化物高孔隙率、非线性的特点,选择Holmquist-Johnson-Cook(HJC)材料本构模型,基于Lagrangian有限单元法,利用LS-DYNA仿真软件建立截齿切削破碎海底块状多金属硫化物的仿真模型,模拟无海水围压下和高海水围压下海底块状多金属硫化物的切削破碎过程。研究结果表明:在高海水围压作用下,海底块状多金属硫化物的强度明显提高,断裂模式主要是脆性失效向塑性失效转变;海水黏着力和高围压作用使得切屑更难从矿体基岩剥离,截齿受到的阻力明显增大。

高海水围压下多金属硫化物切削动力学分析

为研究高海水围压条件下截齿切削多金属硫化物(SMS)的动力学特性,根据深海环境构建了镐形单截齿破碎多金属硫化物的切削力数学模型,同时考虑海底多金属硫化物高孔隙、非线性等特点,选取合适的材料本构模型及其相关参数,基于LS-DYNA数值模拟平台,利用有限单元法建立高海水围压条件下截齿切削多金属硫化物的数值仿真模型,模拟了不同海水围压条件下多金属硫化物的切削破碎过程。研究结果表明:截齿上的海水围压对矿体破碎的影响很小,矿体上的海水围压对矿体破碎影响较大;在高海水围压条件下,多金属硫化物的强度明显增大,切屑更难从基岩剥离,截齿受到的三向阻力明显增大,高围压作用限制了截齿切削破碎过程中的振动,截齿载荷波动性显著减小。

高孔隙多金属硫化物海水围压下切削模拟

考虑海底多金属硫化物(SMS)高孔隙率、受围压等特点,首先采用蒙特卡罗法,结合APDL语言建立了具有一定孔隙率的SMS矿体几何模型,然后基于LS-DYNA仿真平台建立了高海水围压条件下单截齿切削破碎具有一定孔隙率SMS矿体的仿真模型,并进行了相应的数值模拟。研究结果表明:在高海水围压条件下,多金属硫化物的切削难度明显增强,高围压作用使切屑更难从矿体基岩剥离,截齿受到的三向阻力明显增大;随着多金属硫化物矿体的孔隙率增大,截齿破碎矿体受到的切削阻力会减小。

孔隙多金属硫化物细观力学和切削载荷特性的数值模拟

为了提高生成矿体网格单元的质量以及求解效率,利用有限元软件结合APDL语言提出了一种针对孔隙多金属硫化物复杂几何模型的网格优化措施,实现了整体映射网格与局部自由网格相结合的划分方法;对多金属硫化物受压损伤破坏过程和围压下单截齿切削破碎孔隙矿体过程进行了数值模拟,分析了孔隙率及孔隙形态对多金属硫化物细观力学行为和切削载荷特性的影响。研究结果表明,在外载作用下,海底多金属硫化物矿体孔隙结构密集区域易出现应力集中现象,同时随着狭长裂隙出现,应力集中现象更加明显,从而使矿体更容易失稳破坏;在单截齿切削破碎矿体过程中,随着孔隙率增加,矿体破碎过程所需切削载荷有所减小,并且在矿体由等轴孔隙向狭长孔隙过渡过程中,应力集中加剧并且切削载荷进一步减小。