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矿井爆破施工虚拟仿真实验
2014-10-10 00:05   审核人:

   

   

   爆破在矿井建设及土建工程中发挥着重要的作用,民用爆破器材的购买需经当地公安系统严格的审批,同时爆破器材属于高度危险品、爆破实验也受到场地、时间和环境的制约,实验操作过程具有一定的危险性。为此,我们开发了一套爆破冲击动力学虚拟仿真实验平台,通过“虚实结合”的方式,将爆破仿真技术与实际操作有机地结合在一起,针对爆破参数测定、土岩爆破、冲击动力学仿真实验项目,提高教学的真实度和安全性。爆破工程虚拟仿真实验教学平台下设爆破参数测定仿真实验室、土岩爆破仿真实验室、冲击动力学实验仿真实验室、爆破实际操作模拟仿真实验室等4个虚拟仿真实验室。

  • 爆破参数测定仿真实验系统

爆破主要利用炸药埋放在岩土或者混凝土等介质中,通过爆破器材设置的起爆系统引爆炸药,瞬间释放巨大能量,对外显示破坏效应,同时伴随发光、产生巨大热量、震天响声等现象。爆破在土木工程施工中发挥巨大的作用,爆破参数测定实验教学条件要求严苛,实践过程中鉴于安全考虑较难开展。为解决以上难题,开发了国内独有的爆破参数测定仿真实验教学系统,主要利用自主设计和加工的国内最大爆炸碉堡、利用雷鸣科化有限公司和淮南舜泰化工有限公司的现场爆破试验场。采用实物和虚拟相结合的仿真方式,结合数字化方式演示爆破参数测定的试件制作、操作过程、参数变化,实现采用真实爆破难以完成的教学任务,使学生了解爆破器材的结构特点和爆破参数测试过程,激发了学生兴趣,增加了教学的真实度和安全性,提升了教学的效果与质量如图所示。

    

 

矿井巷道爆破仿真实验室

爆破仍然是岩石碎裂的主要方法,然而,关于岩石碎裂加工过程的清晰描述仍然缺乏。当炸药引爆,化学反应迅速发生,相对少量的炸药转化成高温气体。反应导致两种载荷作用于岩孔壁上,即持续时间较长的压力波和气压,岩石碎裂将会在随后开始并传播到周围岩体上。在成对的岩孔爆破中,从岩孔表面到一个特殊深度可能会形成一个碎裂带。岩石爆破的过程和作用效果实验(缩小比例的或实际尺寸的实验)非常昂贵并且浪费时间。利用连续体损伤力学原理和LS-DYNA软件,开发了岩石爆破过程的数值仿真实验系统,实现派生于合理的机械原则和实验数据的确认,展示岩石感应爆破过程。解决了因安全等原因无法做实验,学生观察不到不同重量的炸药对岩石产生的爆破效果,因而造成教学质量低下的问题,提供一种既能让学生动手操作、又能在计算机的显示器上观察爆破效果的仿真实验系统,以较低的成本保证了教学效果与质量,提高了教学的真实度和安全性,如图所示

 

                      岩土爆破仿真系统

 

                     爆炸能量测试仿真系统

  • 冲击动力学实验仿真实验系统

冲击是工程实际中广泛存在的现象,冲击过程是一种复杂的动态响应过程,具有特殊的动力学特性,对冲击现象进行分析和研究具有重要的理论和工程意义。但在实际实验中由于实验条件的复杂性,难以完成复杂的冲击实验过程,将冲击动力学和有限元分析方法相结合进行数值仿真模拟是解决复杂结构的冲击动力学问题很有效的方法。结构冲击动力学实验室以冲击动力学基本理论及有限元为指导,结合冲击瞬态响应分析的方法,借助先进一流的CAD及CAE软件,以圆柱形薄壳体为对象进行跌落冲击实验和有限元仿真模拟,利用实验结果修正有限元模型,使修正后的仿真数据与实验结果有很好的一致性。此外,实验室还建立了一套SHPB实验装置,进行各种材料和结构在冲击载荷下的力学响应的动态实验,达到虚实混合仿真的目的,同时验证了仿真模拟分析的可行性如图所示。

 

  

                    冲击动力学实验仿真实验系统

  • 爆破实际操作模拟仿真实验室

该装置通过仿真巷道,显示断面的炮眼布置方式(掏槽眼、辅助眼、起底眼、周边眼和水沟眼),炮眼形状及空间位置。用无药雷管、药卷、水炮泥和炮泥,让学员观察其结构,并实际操作装药方法(正向装药和反向装药)和连线方式(串联和并联),声、光、电模拟其爆破过程如图所示。

 

        图爆破实际操作模拟仿真系统

炮眼布置按现场实际布置方式布置,按炮眼名称不同分四种颜色,可便于讲课时分别逐一讲学演示炮眼布置方式、角度和深度等参数,其中:

1:掏槽眼(红色)爆破顺序为1

2:辅助眼(黄色)爆破顺序为2

3:起底眼(黄色)爆破顺序为2

4:周边眼(绿色)爆破顺序为4

5:水沟眼(蓝色)爆破顺序为3(控制台布置开关组6个,其中:总开关1个,分开关5个)

火药雷管与实物外形相同。学生可现场学习演练引药加工方式,以及装药(正向装药、反向装药)方式和炮线的串联联线方式及并联联线方式,同时学生可使用“放炮器”进行实际放炮操作,可有效提高学员操作技能,直接上岗作业。

爆破时,学生手拧放炮器手把送电后,可通过声光电控系统显示爆破四个顺序(1-4),并产生全断面爆破红光,以及放炮时爆破声音,增加现场实际声、光立体效果,增强学员教学直观感。

  • 支撑项目 爆破工程课程实习和实验,井巷爆破设计与施工毕业论文和毕业设计。
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