為了研究多齒破巖對材料流動的影響，基于abaqus平臺進(jìn)行了破巖過程中的有限元仿真建模與計算。計算配置與計算時間：i7處理器，16線程計算，6個小時左右計算完成。

1.1 PDC切削齒和巖石幾何模型與裝配

PDC切削齒的直徑Φ為13.44mm，采用兩齒進(jìn)行建模；巖石尺寸為100mm×50mm×50mm（長×寬×高）。二者均在SOLIDWORKS進(jìn)行三維幾何建模，并保存為Parasolid文件，導(dǎo)入到ABAQUS2017中。此外，PDC切削齒的切削深度設(shè)置為2mm，切削齒的前傾角及側(cè)轉(zhuǎn)角均為20度，兩個PDC切削齒中心間的距離為12mm。切削齒和巖石的裝配如圖#所示。

1.2 PDC切削齒和巖石網(wǎng)格劃分

PDC切削齒和巖石的網(wǎng)格劃分如圖#所示，二者均采用四面體網(wǎng)格進(jìn)行劃分，PDC切削齒的網(wǎng)格數(shù)量為5241個，最小單元尺寸為0.263mm；巖石的網(wǎng)格數(shù)量140391，最小單元尺寸為0.268mm。單元類型選擇為四節(jié)點熱耦合四面體單元C3D4T，采用線性位移和線性溫度進(jìn)行迭代計算。其中，巖石被加工區(qū)域以及PDC切削齒底端進(jìn)行了網(wǎng)格細(xì)化，以保證計算的精確性。

1.3 PDC切削齒和巖石邊界條件設(shè)定

(1) 位移邊界條件

在有限元建模過程中，根據(jù)實際工況選擇將巖石底端進(jìn)行固定約束，限制其六個方向自由度，如圖#所示。

(2) 約束條件

實際破巖過程中，PDC切削齒剛度遠(yuǎn)大于巖石剛度，故可將PDC切削齒簡化為剛體，并施加剛性約束。在ABAQUS中，創(chuàng)建切削齒的體單元集合，并設(shè)置切削齒參考點以替代剛體的運(yùn)動，將參考點與體單元集合進(jìn)行耦合，如圖#所示。

(3) 速度邊界條件

由于將兩個PDC切削齒均設(shè)為剛體，且只與一個參考點RP-1進(jìn)行耦合，故速度邊界條件只需施加在RP-1參考點上，如圖#所示。利用RP-1參考點沿X軸正向的運(yùn)動來帶動兩個PDC切削齒的破巖運(yùn)動，其速度大小設(shè)置為2000mm/s。

(3) 溫度邊界條件

PDC切削齒在破巖之前，巖石和PDC齒均有一定溫度，通常與室外環(huán)境溫度相近，本文將其設(shè)置為25℃。分別建立切削齒和巖石的節(jié)點集合，并設(shè)置其初始溫度場數(shù)值為25℃，如圖#所示。

1.4 PDC切削齒和巖石接觸設(shè)置

在破巖過程中，PDC切削齒底端部分與巖石上表面發(fā)生了接觸，在力的作用下，巖石上表面部分區(qū)域被切除，實現(xiàn)了材料去除過程。故在此過程中，需設(shè)置巖石和PDC切削齒的相互接觸區(qū)域，如圖#所示。本文創(chuàng)建了兩個PDC切削齒的表面集合和巖石上表面被加工區(qū)域節(jié)點集合，并將前者設(shè)為第一接觸表面，后者設(shè)置為第二接觸節(jié)點。此外，需設(shè)置二者的接觸屬性，由于切削齒在與巖屑相互作用會產(chǎn)生接觸應(yīng)力和摩擦應(yīng)力，故設(shè)置法向行為選擇“硬接觸”，切向行為選擇“罰摩擦接觸”，并設(shè)置摩擦系數(shù)為0.3。

二、有限元仿真結(jié)果與分析

   2.1 應(yīng)力場分析

   PDC切削齒破巖過程中不同時刻下巖石的應(yīng)力場如圖#所示。由圖可知，破巖過程中的應(yīng)力最大區(qū)域集中在切削齒前方待加工區(qū)域，數(shù)值大約為27MPa左右，在巖石切削深度方向有11MPa左右的應(yīng)力集中現(xiàn)象，且應(yīng)力產(chǎn)生范圍沿切深方向可達(dá)20mm左右。在巖石的上表面，由于PDC切削齒存在側(cè)轉(zhuǎn)角，被切削材料沿垂直于切削齒齒面方向移動，故導(dǎo)致了切削齒兩側(cè)的應(yīng)力產(chǎn)生范圍并不對稱。

    由圖#(c)可知，此時加工時間t=0.0225s，當(dāng)切削齒即將切出巖石表面時，在巖石的切出端沿切深方向有較大的應(yīng)力集中現(xiàn)象，數(shù)值大約為20MPa左右。當(dāng)PDC切削齒切出巖石表面時，如圖#(d)所示，巖石加工區(qū)域附近有殘余應(yīng)力存在，數(shù)值大約為10MPa左右。

2.2 應(yīng)變場分析

     PDC切削齒破巖過程中不同時刻下巖石的應(yīng)力場如圖#所示。由圖可知，加工區(qū)域的應(yīng)變場分布較為均勻。破巖過程中巖石已加工區(qū)域的等效應(yīng)變最大，數(shù)值大約為0.4左右，切削齒前方待加工區(qū)域有較小的應(yīng)變產(chǎn)生，數(shù)值約為0.2左右。此外，切削齒兩側(cè)也有應(yīng)變產(chǎn)生，且應(yīng)變分布不對稱，應(yīng)變較大的一側(cè)說明了材料更多地向此方向流動。