ANSYS软件在尾矿坝稳定性分析中的应用研究.pdf

SeriesNo. 350 August 2005 金 属 矿 山 METAL M I NE 总第350期 2005年第8期 李 明1970 - ,男,山东理工大学讲师,北京科技大学在读博士, 100083北京市海淀区学院路北京科技大学610信箱。 ANSYS软件在尾矿坝稳定性分析中的应用研究 李 明 1 胡乃联 1 于 芳 2 何煦春 1 北京科技大学 摘 要 针对目前我国尾矿库存在的安全问题,根据ANSYS软件的特点和功能,提出了利用ANSYS对尾矿库 进行建模、 有限元分析、 计算、 仿真等,为尾矿库的安全管理提供一定的依据。 关键词 ANSYS软件 尾矿库 稳定性分析 有限元 建模 Study on Application of ANSYS Software i n Stability Analysis of Ta iling Dam LiMing 1 Hu Nailian 1 Yu Fang 2 He Xuchun 2 University of Science在后处理中,其计算结果可以 采用多种方式输出,比如计算结果排序和检索、 彩色 云图、 等值线、 动画显示等等。其将有限元分析、 计 算机图形学和优化技术相结合,已成为解决现代工 65 程学问题必不可少的有力工具。 2. 1 ANSYS环境简介 ANSYS有2种模式,一种是交互模式 Interac2 tiveMode ,另一个是非交互模式Batch Mode。交 互模式为初学者和大多数使用者所采用,包括建模、 保存文件、 打印图形及结果分析等,一般无特别原因 皆用交互模式。但若分析问题要很长时间,如1、2 天等,可把分析问题的命令做成文件,利用它的非交 互模式进行分析。 运行该程序一般采用Interactive进入,这样可 以定义工作名称,并且存放到指定的工作目录中。 若使用Run Interactive Now进入还需使用命令定义 工作文件名或使用默认的文件名,使用该方式进入 一般是为恢复上一次中断的分析。所以在开始分析 一个问题时,建议使用Interactive进入交互模式。 进入系统后会有6个窗口,提供使用者与软件 之间的交流,凭借这6个窗口可以非常容易地输入 命令、 检查模型的建立、 观察分析结果及图形输出与 打印。整个窗口系统称为GU IGraphicalUser Inter2 face ,如图1所示。 图1 ANSYS交互窗口 各窗口的功能如下。 1应用命令菜单UtilityMenu 包含各种应 用命令,如文件控制File、 对象选择Select、 资料 列式List、 图形显示Plot、 图形控制Plot Ctrls、 工作界面设定Work Plane、 参数化设计Parame2 ters 、 宏命令Macro、 窗口控制Menu Ctrls及辅 助说明Help等。 2主菜单Main Menu 包含分析过程的主 要命令,如建立模块、 外力负载、 边界条件、 分析类型 的选择、 求解过程等。 3工具栏Toolbar 执行命令的快捷方式, 可依照各人爱好自行设定。 4输入窗口 W indow 该窗口是输入 命令的地方,同时可监视命令的历程。 5图形窗口Graphic W indow 显示使用者 所建立的模块及查看结果。 6输出窗口OutputW indow 该窗口叙述了 输入命令执行的结果。 2. 2 ANSYS软件主要技术特点 ANSYS程序是一个功能强大的设计分析及优 化软件包,由1整套可扩展的、 灵活集成的各模块组 成。图2给出了此软件的整体结构图,同时也反映 了其操作过程和主要功能构成。 图2 ANSYS分析软件的整体结构 1求解器的主要功能。对有限元模型形成的 整体方程组进行计算和分析,包括带宽优化、 方程组 求解方法的选取、 确定收敛判据等,因此它是有限元 的理论方法、 计算方法和软件分析方法的结晶。 2前处理器的主要功能。形成并提交求解器 能识别的有限元模型数据文件,包括数据文件的输 入/输出功能、 自动网格划分功能、 生成几何图形功 能和图形显示及输出功能,因此,前处理器要处理如 下数据文件读写描述有限元模型的数据库;生成求 解器可识别的输入数据文件;读写并记录各种操作 的命令,编辑过程文件等。 3后处理器的主要功能。处理求解器分析后 的结果,包括识别求解器生成的格式化及非格式化 结果文件;将结果写成各种常用的图形文件;还要以 图形、 动画、 表格和文件形式分别显示求解器分析 后的结果等。 4软件接口的主要功能。读写可被其它 CAD /CAE软件识别的各种文件,实现与其它CAD / CAE软件间的数据转换功能,使得几何建模可以由 第3方软件来提供,如此增强了软件本身的健壮性。 ANSYS软件基于MOTIF的图形用户界面,智 能化菜单引导、 帮助等,为用户提供了强大的实体 建模及网格划分工具,直接建模与实体建模相结 合,可对各种物理场量进行分析。 3 ANSYS分析实例 某铝业公司赤泥尾矿库工程采用平地堆积,坡 75 李 明等ANSYS软件在尾矿坝稳定性分析中的应用研究 2005年第8期 比1∶1,周边筑坝赤泥填充法如图3。赤泥输送量每 小时280 m 3 ,输送赤泥液固比6. 5～7. 5。现筑坝高 度达到70 m。赤泥堆场东西长约670 m,南北宽约 600 m,呈长方形状。由于产量的不断增加,每年约 以2. 5 m的上升高度加高坝体。 图3 周边上游筑坝法断面示意 311 稳定性计算 1坝体有限元模型的建立。对于2D有限元 模型的建立比较容易,在ANSYS中就可以实现,而 且这种二维图形比较简单。难点是3D有限元模型 的建立,原因是赤泥库本身就是利用赤泥筑坝,然后 经水力输送赤泥浆液填充,所以赤泥库的坝体即 承载部分和施载部分不容易区分,所要做的主要 工作是通过勘探资料人为地把两部分区分开。在 ANSYS软件中3D模型的构建可以通过ANSYS的 布尔Boolean操作功能来实现。即把赤泥库的两 部分设想成棱台和类椭球体的交 intersect。要使 用的布尔操作如图4。 图4 布尔操作 2模型载荷的施加。初步估计对坝体施加的 是分布面载荷,而且是自上而下服从一定的梯度分 布图 5 。这可以通过ANSYS中的载荷施加主菜 单定义方程实现。 图5 坝体载荷施加示意 3赤泥的特殊工程性质。赤泥中有很多夹 层,粗细颗粒有明显的分选性,呈不等厚的层状,致 使赤泥呈现出各向异性。而且赤泥的孔隙比大、 含 水量高、 容重比较小、 透水性微弱,因此赤泥与一般 土的物理力学性质有很大差异。而目前的稳定性分 析主要是假定其为土的弹塑性体然后来分析其应 力、 应变和时间的本构关系。利用ANSYS来分析就 要充分考虑这些工程性质的影响,否则就会误差很 大甚至导出错误的结果。 312 赤泥坝体3D模型的构建 要进行三维有限元模型的构建,首先要建立三 维状态的实体模型,这对于赤泥库来说是一个难点。 可以把赤泥库人为地分成2大部分,一部分是承当 坝体的部分,其外观类似于1个六面棱台体,另一部 分是承当施压的部分。施压部分在空间中简化为1 个类椭球体,但此椭球体在深度方向上的轴和平面 上的轴不同,所以其不是1个规整的椭球体,只是类 似于椭球体。这可以通过布尔操作实现。施压部分 对坝体施加侧向力,而且此侧向力是呈梯度分布。 这里以坝体三维实体模型的构建为例说明步骤 如图 6 。 图6 坝体三维实体模型 1根据具体的工程实例简化模型。在草稿纸 上按一定比例画出简化后的模型,并求出此简化模 型的各关键点的坐标,坐标系要与ANSYS中的坐标 系相同以减少工作量。 2采用自底向上的建模方法在ANSYS中建 立模型。即在当前坐标系中输入各点坐标创立关键 点keypoint ,命令如下Main menu preprocessor modeling create keypoints in Active cs。 3连接各关键点创建面areas命令。Main menu preprocessor modeling create areas arbi2 trary Through Kps。在输入关键点创建面时,要注 意形成闭合面。 4这6个面形成1个封闭的棱台体。 4 结 语 本研究针对目前我国尾矿库所普遍存在的安全 和管理方面的问题,以山东某公司赤泥堆积坝为背 景进行尾矿库的稳定性分析评价研究,使人们系统 深入地认识尾矿工程,从而可以改变尾矿管理技术 水平落后的局面,争取为我国尾矿库的安全运营、 保 85 总第350期 金 属 矿 山 2005年第8期 证矿山企业正常生产做一些理论性的铺垫工作,希 望能对存在此类问题的矿山和企业提供一点理论上 的指导和实际意义上的帮助。 参考文献 1 张培安 1浅谈尾矿库的安全技术管理 1中国钼业, 2002 12 48 ～51 2 龚曙光,等 1ANSYS基础应用及范例分析 1北京机械工业出版 社, 2003 3 蓝 宇 1等,大型有限元分析软件ANSYS1应用科技, 2000 6 12～15 4 谭建国 1使用ANSYS 6. 0进行有限元分析 1北京北京大学出版 社, 2002 5 王友海,等 1大型有限元分析软件ANSYS的特点 1建筑机械, 2000 9 29～31 6 陈守义 1浅议上游法细粒尾矿堆坝问题 1岩土力学, 19959 70 ～75 7 王凤丽,等 1在ANSYS中建立复杂有限元模型 1哈尔滨理工大 学学报, 20036 22～24 8 景英仁,等 1赤泥筑坝技术研究 1西部探矿工程, 20019 111～ 113 9 徐宏达 1我国尾矿库病害事故统计分析 1工业建筑, 20011 69 ～71 10 张建华 1德兴铜矿西源排土场高台阶排土稳定性研究 1金属矿 山,20032 24～27 11 魏作安,等 1细粒尾矿堆积坝加固设计与研究 1金属矿山, 2003 8 54～60 12 王进学,等 1神经网络预测尾矿沉积规律的方法 1金属矿山, 20037 9～12 收稿日期 20052062 20 上接第19页 制有阳螺纹的钎杆连接时,钎杆阳螺纹终了处空刀 槽的端面顶紧钎头阴螺纹的顶端面被螺旋副接头拧 紧,钎头阴螺纹的顶端柱面为承载面,钎杆阳螺纹端 头在工作状态下都是自由面,即悬空面。螺旋副连 接钎头扬弃了传统钎头依靠钎杆阳螺纹的顶端面顶 紧钎头的阳螺纹顶端面 CS 连接或钎杆阳螺纹的 顶端面顶紧钎头阴螺纹底端面 MF 连接的传统传 力方式,以钎头阴螺纹的顶端面承载。在凿岩机凿 入岩石做功的瞬间,应力波经钎头阴螺纹的柱面传 递,垂直入射点发生在钎头外缘,其余各部位均产生 倾斜入射,所获得的凿岩能量E随着距钎头中心距 离r增大呈增大趋势,如图5所示。 图5 螺旋副连接钎头能量传递及凿入能量分布 W -入射波; C -反射纵波; D -反射横波; E -透射纵波; F -透射横波;1-钎杆;2-钎头;3-接头; 4-承载面;5-悬空面; r -钎头半径; E -凿入能量分布 这种钎头结构可保证钎头从钎杆获得的凿岩能 量分布与钎头破岩所需能量相匹配,反射波能量控 制在5以下,最大限度地利用以应力波形式传递 到钎头的凿岩机冲击能量,可显著提高钎头凿入效 率和接杆能量传递效率。 4 结 论 1钎头破岩能量需求E以钻孔周边最大,由 钻孔中心向外随半径R增大呈R 2 增大,表现为中间 小两边大。 2传统螺纹连接凿岩钎头以阳螺纹螺杆端面 为承载面,或以阴螺纹的底端面为承载面,钎头凿岩 能量分布E以钎头周边最小,由钎头中心向外随半 径r增大呈逐渐减小趋势,表现为中间大两边小,与 钎头孔底破岩能量需求不匹配。 3螺旋副连接凿岩钎头以钎头阴螺纹的顶端 面为承载面,钎头凿岩能量分布E以钎头周边最小, 由钎头中心向外随半径r增大呈逐渐增大趋势,表 现为中间小两边大,与钎头孔底破岩能量需求匹配。 4采用螺旋副连接结构,钎头柱面承载,凿岩 能量分布合理,凿入效率高。 参考文献 1 徐小荷,余 静 1岩石破碎学 1北京煤炭工艺出版社, 1984 2 宋守志.固体介质中的应力波,北京煤炭工艺出版社, 1989 收稿日期 20052062 18 欢 迎 投 稿 欢 迎 订 阅 95 李 明等ANSYS软件在尾矿坝稳定性分析中的应用研究 2005年第8期