Numerical analysis of the rock cutting and the loading of rock cutting tools

Titel in Übersetzung: Numerische Analyse der Gesteinszerspanung und der Reaktionskräfte am Schneidwerkzeug

Markus Johannes Mikl-Resch

Publikation: Thesis / Studienabschlussarbeiten und HabilitationsschriftenDissertation

Abstract

Eine Berechnungsmethode zur Simulation der Gesteinszerspanung mit Meißeln wird im Zuge dieser Arbeit entwickelt und getestet. Das Ziel ist die Berechnung der Schnittkräfte. Die Meißel-Gestein Interaktion wird mittels der expliziten FEM modelliert. Diese erlaubt die schnelle Berechnung durch Parallelisierung, einen robusten Kontaktalgorithmus und eine ausgereifte Materialbeschreibung durch ein Konstitutivgesetz. Die mechanischen Eigenschaften von Gestein wird analysiert und in einzelne Attribute aufgegliedert, die gleichzeitig die Anforderungen an das Materialmodell darstellen. Ein geeignetes Schädigungsplastizitätsgesetz wird ausgewählt und durch Subroutinen modifiziert. Die erwarteten kritischen Netzverzerrungen werden durch eine Elementlöschroutine verhindert. Die Randbedingungen werden durch infinite Elemente modelliert um Wellenreflexion und unrealistische Interferenz zu unterbinden. Ein probabilistisches Materialmodell wird auf Basis der Weibulltheorie entwickelt um das spröde Verhalten von Gestein zu beschreiben. Frühere vergleichbare Versuche aus der Literatur erweisen sich als unzureichend. Das entwickelte Materialmodell beschreibt die natürliche Streuung von Experimenten zeigt aber keine verbesserte Beschreibung des Risswachstums, daher wird das Material klassisch homogen modelliert. Das Konstitutivgesetz wird durch numerisches Fitten der Fließfunktion an Spannungspunkten, an denen Versagen auftritt, bestimmt. Diese Spannungspunkte werden aus dem Brazilian Test und dem uniaxialen Druckversuch bestimmt. Im Brazilian Test wird ein Punkt mit erhöhter Zugspannung nahe der Lasteinbringung entdeckt. Aufnahmen mit einer Hochgeschwindigkeitskamera verstärken die Vermutung, dass der Bruchausgang nicht wie bisher angenommen im Probenzentrum, sondern an diesem Punkt stattfindet. Die Beschreibung der Zugfestigkeit wird mit der Weibulltheorie auf eine Zwei-Parameter-Beschreibung erweitert. Das erlaubt die korrekte Berechnung des Zugversuches, Brazilian Tests und des Kantenabbruchversuchs. Die individuellen Konzepte werden zu einem Modell für Zerspanungsversuche kombiniert. Zuerst werden idealisierte Meißelgeometrien (semisphärisch und zylindrisch) getestet. Zermalmung, Chipbildung und Hinterschneiden zeigen sich abhängig von der Meißelgeometrie und den Schneidparametern. Die Elementlöschung erweist sich als problematisch für den Kontakt zwischen Meißel und Gestein. Als Zweites wird eine erprobte Meißelgeometrie modelliert und Schnitttiefe und Angriffswinkel variiert. Die Schnittkräfte steigen erwartungsgemäß mit der Schnitttiefe jedoch zeigt sich kein Einfluss auf die Normalkräfte. Der Grund dafür ist die zermalmte Zone unter dem Meißel, die in der FEM nur unzureichend modellierbar ist. Trotzdem zeigt sich eine gute Korrelation von Materialzermalmung und Kraftspitzen. Ein Vergleich der Simulationen mit dem Experiment zeigt, dass die Schnittkraft voraussagbar ist, die Normal- und Seitenkraft jedoch unterschätzt werden. Grund dafür ist wieder die Erosion der zermalmten Zone in der Simulation. In der Simulation zeigen sich kleinere Chips als im Experiment. Die entwickelten Konzepte in dieser Arbeit erlauben jedoch die adäquate Modellierung von Gestein und die Simulation von grundlegenden Mechanismen während der Gesteinszerspanung.
Titel in ÜbersetzungNumerische Analyse der Gesteinszerspanung und der Reaktionskräfte am Schneidwerkzeug
OriginalspracheEnglisch
QualifikationDr.mont.
Betreuer/-in / Berater/-in
  • Galler, Robert, Beurteiler B (intern)
  • Antretter, Thomas, Beurteiler A (intern)
PublikationsstatusVeröffentlicht - 2014

Bibliographische Notiz

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Schlagwörter

  • Schneidsimulation
  • Finite Element Methode
  • probabilistisches Materialmodell
  • Gesteinszerspanung
  • Gesteinssimulation

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