[发明专利]融合复杂地质环境的掘锚一体机数值耦合仿真方法

权利要求书

1.一种融合复杂地质环境的掘锚一体机数值耦合仿真方法，其特征在于，包括如下步骤：

S1：根据实际地质勘测数据与大数据地质信息库，利用克里金插值算法，构建掘锚一体机掘进的高保真煤岩几何模型与性能模型T；

S2：根据工程掘进要求，利用掘锚一体机截割煤岩运动特性，建立融合复杂地质环境的掘锚一体机巷道掘进耦合模型；

S3：利用S1的高保真煤岩几何模型与性能模型T与S2的掘锚一体机巷道掘进耦合模型，构建掘锚一体机与复杂地质环境耦合的截割载荷计算模型，实时快速计算得到截割滚筒截割载荷；

S4：根据S3中获得的截割载荷数据，实时更新输入到掘锚一体机关键部件截割大臂的结构仿真分析模型中，并计算得到特定时刻t时，复杂地质环境对掘锚一体装备性能状态响应值；

S5：建立截割大臂的性能状态响应值阈值，将S4步骤计算得到的截割大臂的性能状态响应值与阈值进行比较，若超出阈值，实时循环更新调整装备运行参数；

所述S2具体包括如下步骤：

S2.1：调整掘锚一体机装备与煤岩模型进行接触，掘锚一体机的截割滚筒在巷道位置进行掘进；

S2.2：建立截割滚筒的运动学模型，建立截割滚筒的截齿中心位置坐标为（），建立截割滚筒上的截齿相对与滚筒中心的位置坐标为（），截割滚筒截割过程中按照旋转截割方式进行切削煤岩操作，在一定时间内，设定滚筒旋转的角度为，在特定时刻t时，截齿相对滚筒中心的位置为，截齿的实际空间位置为，其中与的计算如下：

；

所述S3中的掘锚一体机与复杂地质环境耦合的截割载荷计算模型具体包括如下子步骤：

S3.1：利用三维线性插值算法，计算得到在截割过程中各个参与截割的截齿与煤岩接触处的截割的截齿处煤岩强度f_real；

S3.2：利用改进经验公式法，通过线性叠加计算得到截割滚筒截割载荷，根据实时碰撞检测算法，计算得到在特定时刻t时，掘锚一体机掘进过程中参与截割煤岩的截齿数量为，截割滚筒的半径为，掘锚一体机在巷道掘进时，其截割滚筒截割载荷，参与截割的截齿上截割载荷为，结合上述S3.1中三维线性插值计算得到的参与截割的截齿处煤岩强度f_real，截割滚筒截割载荷计算方法如下：

其中，为滚筒第i个截齿在x方向受到的截割阻力，为滚筒第i个截齿在y方向受到的截割阻力，为滚筒第i个截齿在z方向受到的截割阻力，为滚筒在x方向受到的截割阻力，为滚筒在y方向受到的截割阻力，为滚筒在z方向受到的截割阻力，为滚筒在旋转方向受到的截割阻力矩；为单截齿在x方向受到的截割阻力，为单截齿在y方向受到的截割阻力，为单截齿在z方向受到的截割阻力，为掘锚一体机截割过程中的牵引速度，为掘锚一体机截割过程中的截割滚筒切削转速。

2.根据权利要求1所述的融合复杂地质环境的掘锚一体机数值耦合仿真方法，其特征在于，所述S1中高保真煤岩几何模型尺寸根据实际掘进地质环境的大小来确定尺寸参数P=（），高保真煤岩模型的性能模型T=[]，其中（x, y, z）代表不同掘进位置处的煤岩坐标，f代表该掘进位置处的煤岩自身强度属性系数。

3.根据权利要求1所述的融合复杂地质环境的掘锚一体机数值耦合仿真方法，其特征在于，所述S3.1中，根据截齿的实际空间位置结合地质模型中不同空间位置的煤岩参数信息，每间隔一定的空间位置获取一个煤岩自身强度属性系数f，根据截齿的实际空间位置选取空间位置附近的8个煤岩自身强度属性系数f₁、f₂、f₃、f₄、f₅、f₆、f₇、f₈，运用三维线性插值方法计算得到截齿当前接触煤岩的截齿处煤岩强度f_real。

4.根据权利要求1所述的融合复杂地质环境的掘锚一体机数值耦合仿真方法，其特征在于，所述S4中复杂地质环境对掘锚一体装备性能状态响应值计算包含如下子步骤：

S4.1：将截割滚筒与截割大臂进行绑定，截割滚筒通过旋转轴将截割滚筒截割载荷传输给截割大臂；

S4.2：建立截割大臂的有限元结构仿真分析模型，设置其材料属性与边界条件，划分网格，将S3得到的截割滚筒截割载荷施加到分析模型中，计算得到复杂地质环境对掘锚一体装备性能状态响应值。