1項目背景

        人類社會的發展需要對各種各樣的資源進行利用，目前陸地資源已經漸漸稀少，但海底仍然蘊含著豐富的資源，開采量只有2%左右，因此如何安全、高效、無污染地對海底資源進行開采成為了一項重要的研究課題。

        由于水射流加工開采技術具有無污染、無熱反應區、反作用小、破碎鉆孔效率高及對材料無選擇性等優點，如今已被應用到水下工程、煤礦開采、石油鉆井等方面。當采用水射流技術進行切割開采巖石時，其作用機理十分復雜，目前還未形成統一的學說。而在淹沒條件下水射流沖擊破碎煤巖時，由于巖石等礦產資源受地應力影響，射流受周圍水體的阻礙作用及空化作用等因素的影響，以及水射流破巖過程的短暫性、巖石自身的不透明性等，采用試驗的方法不能直觀有效 觀察巖石的破壞過程及巖石內部結構的變化。隨著現代計算機技術的發展，數值模擬方法得到迅速發展，由于采用數值模擬方法具有低成本、可重復、連續、動態地觀察事物的發展變化，因此，數值模擬技術成為一種新的技術被廣泛應用。本文采用數值模擬的方法建立了淹沒條件下水射流破碎巖石的數值計算模型，模擬得出的結果對進一步提高淹沒條件下水射流破巖效率提供參考依據。

2模型建立

2.1網格模型

        高壓水射流沖擊破碎巖石的過程基本是軸對稱的，故只選取模型的1/4進行模擬分析，淹沒水射流沖擊巖石的網格模型如圖1所示。 深藍色的為射流模型，綠色的為海水模型，淺藍色的為巖石模型，射流模型與海水模型通過共節點進行連接，巖石模型與海水模型采用折疊網格模型。

圖1 射流破巖網格模型

2.2 模型設置

2.2.1材料的本構方程

        海水為塑性材料，其本構方程采用Gruneisen狀態方程表示；由于水射流破巖問題屬于大變形、高應變率、非線性的撞擊問題，所以巖石選用能較好模擬大應變、高應變率及高壓效應下的 H-J-C 模型作為巖石的本構模型，其基本參數設置如下圖。

2.2.2加載和邊界條件設置

        由于模型采用1/4模型，所以在兩個對稱邊界上分別設置為關于xy平面與xz平面的對稱面，外邊界和出口面設置為無反射邊界條件，入口射流設置入口速度為300m/s。

2.2.3失效判據添加

       對于巖石模型，需要設置其失效判據，關鍵字為MAT_ADD_EROSION。

2.2.4流固耦合關鍵字設置

        對于流體和固體，需要設置其流固耦合關鍵字CONSTRAINED_LAGRANGE_IN_SOLID.

        NQUAD為固體單元耦合的積分點數量，設置為3；

        Ctype為耦合的方式，設置為5;

        DIREC為耦合的方向，設置為2，表示僅在壓縮的法向位置耦合，這種設置比較穩定；

        Mcoup為多材料組耦合的選擇，設置為0表示所有材料都參與耦合；

2.2.5求解card創建

（1）CON*TROL_ALE

        由于傘衣和流場都設置為ALE單元，所以需要設置ALE算法的控制選項；

        DCT為缺省連續體網格處理方式，流場模擬中，一般該參數選擇為2，表示歐拉處理方式；

        NADV表示流體輸送步間的CPU循環數，一般設置為1，表示一個循環步輸送一次；

        Meth表示流體輸送算法，設置為1，表示一階精度；

        Afac為ALE的平滑因子，設置為-1，表示不考慮平滑問題；

        PREF設置為一個大氣壓，為施加在邊界的參考壓力

        對于流固耦合問題，以上參數基本適用，無需改變。

（2）CON*TROL_ENERGY

        Hgen表示沙漏的計算選項，我們設置了沙漏，所以設置為2，表示包含沙漏計算；

        其他幾個參數，分別表示阻礙能、滑動接觸表面能、瑞利能。將他們都設置為2，表示計算包含這三種能量，這更接近真實情況。

3計算結果分析

3.1不同時刻射流破巖效果

t=21ms	t=41ms
t=101ms	t=200ms

 

        由圖可知，在射流的作用下，海底巖石可以被擊穿，通過設置不同的射流直徑和射流靶距，可以研究不同射流參數對破巖效果的影響。

3.2破巖過程應力圖

        破巖過程中巖石的應力圖如下，可以看出，在射流與巖石沖擊的位置應力最大，可以取得破巖的效果。

4結論

        基于LS-DYNA，可以建立淹沒條件下水射流破碎巖石的數值計算模型，模擬得出的結果對進一步提高淹沒條件下水射流破巖效率提供參考依據。