Проведение горных работ в недостаточно прочных породах — частая практика при разработке рудных месторождений. В наиболее неблагоприятных горно-геологических условиях месторождений существует риск смещения пород в сторону новообразовавшейся выработки и, как следствие, напряжение и деформация крепи, что в свою очередь способно привести к ее разрушению, производственным травмам и угрозе человеческим жизням. Выбор тех или иных способов физико-химического упрочнения горных выработок особенно сложен на новых месторождениях и рудных полях из-за недостатка информации о свойствах массива.

Традиционные методы прочностных расчетов, применяемые для прогнозирования поведения конструкции, оказываются здесь недостаточно эффективными. Поэтому в настоящий момент разработка более совершенных методов компьютерного моделирования для расчета напряженно-деформированного состояния выработок является актуальной научной проблемой.

Российский программный комплекс CAE Fidesys

Недавно ведущим проектно-изыскательским и научно-исследовательским институтом промышленной технологии (ОАО «ВНИПИпромтехнологии») была протестирована система инженерного анализа от российского разработчика — компании Fidesys. Отличительной особенностью отечественной разработки является новый модуль Fidesys Dynamics, расчеты в котором выполняются методом спектральных элементов, имеющим ряд преимуществ по сравнению с традиционными подходами, применяемыми в существующих CAE-системах. В данном случае программный комплекс CAE Fidesys был использован для расчета самообрушения горных пород на рудных месторождениях.

Рис. 1. Российский программный комплекс инженерного анализа Fidesys
Рис. 1. Российский программный комплекс инженерного анализа Fidesys

Задача состояла в исследовании напряжений и деформаций, возникающих на опытном участке. Исследуемый объект представлял собой прямоугольный параллелепипед горной породы, для которой был известен ряд исходных параметров. Верхняя грань параллелепипеда имитировала земную поверхность, остальные грани — срезы.

На определенной глубине от поверхности в горизонтальной плоскости была расположена горная выработка (пустота) арочного сечения, проходящая насквозь через всю исследуемую часть породы.

Рис. 2. Модель исследуемого объекта горной породы в CAE Fidesys
Рис. 2. Модель исследуемого объекта горной породы в CAE Fidesys

Из-за сил гравитации 550-метровая толща пород оказывает давление, в результате которого в районе выработки возникают повышенные напряжения и деформации.

Рис. 3. Сгенерированная МКЭ-сетка
Рис. 3. Сгенерированная МКЭ-сетка

Программный комплекс Fidesys продемонстрировал высокую точность и скорость вычислений методом конечных и спектральных элементов. При работе на основе метода спектральных элементов решение задачи показало значительное повышение точности расчетов.

По оценке «ВНИПИпромтехнологии», результаты программного расчета оказались близки к контрольным значениям натурных экспериментов. В ходе тестирования российский расчетный комплекс показал себя как удобный и эффективный инструмент, позволяющий осуществлять полный цикл прочностного инженерного анализа: загрузку и анализ CAD-модели, построение расчетной сетки, задание нагрузок и механических свойств материала, выбор и настройку МКЭ-решателя, расчет модели, визуализацию результатов расчета.

Ускорение производимых расчетов

Как правило, высокая точность получаемых результатов, с одной стороны, свидетельствует об эффективности применяемого расчетного пакета, однако с другой — вызывает снижение скорости вычислений. На сегодняшний день каждый разработчик программного обеспечения в области CAE пытается решить эту проблему по-своему.

CAE Fidesys не стал исключением. Российский программный комплекс изначально разрабатывался с учетом этой проблемы, и содержит абсолютно новое ядро, которое по умолчанию имеет возможность распараллеливать процессы решения задачи на все имеющиеся в распоряжении пользователя ядра процессора. К сожалению, такой возможностью не могут похвастаться даже некоторые зарубежные расчетные пакеты, аналогичные Fidesys, так как используют технологии, разработанные около двух десятков лет назад.

Это преимущество российской CAE-системы отметили и сотрудники «ВНИПИпромтехнологии», которые выполняли тестовые расчеты на обычном ПК, не используя мощности суперкомпьютера. Таким образом, с помощью программного комплекса Fidesys реализована возможность высокой скорости расчетов без потери качества вычислений.

Рис. 4. График интенсивности напряжений по Мизесу вдоль линии (Па)
Рис. 4. График интенсивности напряжений по Мизесу вдоль линии (Па)
Рис. 5. Горизонтальные перемещения вблизи выработки (м)
Рис. 5. Горизонтальные перемещения вблизи выработки (м)
Материалы предоставлены компанией CSD — эксклюзивным дистрибьютором ПО Fidesys на территории России
www.csd.ru