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基于响应面分析的淹没水射流破土施工参数优化设计

邱玥钦 蓝雄东 刘剑 王观石 罗嗣海

邱玥钦, 蓝雄东, 刘剑, 王观石, 罗嗣海. 基于响应面分析的淹没水射流破土施工参数优化设计[J]. 矿业科学学报, 2024, 9(1): 32-41. doi: 10.19606/j.cnki.jmst.2024.01.004
引用本文: 邱玥钦, 蓝雄东, 刘剑, 王观石, 罗嗣海. 基于响应面分析的淹没水射流破土施工参数优化设计[J]. 矿业科学学报, 2024, 9(1): 32-41. doi: 10.19606/j.cnki.jmst.2024.01.004
QIU Yueqin, LAN Xiongdong, LIU Jian, WANG Guanshi, LUO Sihai. Optimized design of construction parameters for submerged water jet breaking construction based on response surface analysis[J]. Journal of Mining Science and Technology, 2024, 9(1): 32-41. doi: 10.19606/j.cnki.jmst.2024.01.004
Citation: QIU Yueqin, LAN Xiongdong, LIU Jian, WANG Guanshi, LUO Sihai. Optimized design of construction parameters for submerged water jet breaking construction based on response surface analysis[J]. Journal of Mining Science and Technology, 2024, 9(1): 32-41. doi: 10.19606/j.cnki.jmst.2024.01.004

基于响应面分析的淹没水射流破土施工参数优化设计

doi: 10.19606/j.cnki.jmst.2024.01.004
基金项目: 

江西省教育厅科学技术研究项目 GJJ2200816

江西理工大学高层次人才科研启动项目 205200100638

详细信息
    作者简介:

    邱玥钦(1999—),男,江西赣州人,硕士研究生,主要从事离子型稀土绿色提取及高压水射流技术等方面的研究工作。Tel:15107071295,E-mail:1982494474@qq.com

    通讯作者:

    蓝雄东(1995—),男,江西赣州人,博士,讲师,主要从事水射流破土等方面的研究工作。E-mail:271410299@qq.com

  • 中图分类号: TD80

Optimized design of construction parameters for submerged water jet breaking construction based on response surface analysis

  • 摘要: 针对水射流破土过程中射流孔深度及径宽难以确定的问题,以圆柱形喷嘴为研究对象,基于拉格朗日-欧拉流固耦合算法建立了淹没水射流破土的有限元模型,并通过室内实验验证了该有限元模型计算结果的准确性。基于响应面法建立了射流孔深度与径宽的预测模型,分析了喷嘴直径、射流靶距和射流压力3个因素及其交互作用对射流孔深度及径宽的影响规律,结合满意度函数对破土施工参数进行优化。结果表明:当选取特定破土深度(10 cm、15 cm和20 cm)时,较大的射流压力(7.2 MPa)、较小的射流靶距(1 cm)及合适的喷嘴直径(0.928 mm、1.164 mm和1.345 mm)可最大程度地保证射流孔的稳定性。针对特定目标破土深度,优化后的射流孔深度及径宽的预测值与实验值的误差均小于15 %,表明预测结果合理可靠。
  • 图  1  水射流破土模型

    Figure  1.  Water jet breaking model

    图  2  水射流实验装置

    Figure  2.  Experimental equipment of water jet breaking soil

    图  3  实验与模拟射流孔形态对比

    Figure  3.  Comparison of experimental and simulated jet hole morphology

    图  4  射流孔深度响应曲面及等高线

    Figure  4.  Response surface and contour diagram of jet hole depth

    图  5  射流孔径宽响应曲面及等高线

    Figure  5.  Response surface and contour diagram of jet aperture width

    图  6  实际值与预测值对比

    Figure  6.  Comparison of actual and predicted values

    图  7  水射流流场分布

    Figure  7.  Water jet flow field distribution

    图  8  单因素对射流孔的影响

    Figure  8.  Influence of single factor on jet hole

    表  1  土体材料参数

    Table  1.   Material parameter of soil

    参数 测试方法 数值
    密度ρ/(g·cm-3) 比重瓶法 2.69
    含水率ω/% 烘干法 23.4
    剪切模量G/Pa 微型十字板 2.50×106
    体积模量K/Pa 旁压仪 1.20×107
    黏聚力C/Pa 直剪实验 2.00×104
    内摩擦角φ/(°) 4.10×10-1
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    表  2  模拟与实验数据

    Table  2.   Simulation and experimental data

    工况 深度/cm 径宽/cm
    模拟结果 实验结果 模拟结果 实验结果
    1 12.40 10.89 4.83 6.69
    2 8.60 6.73 3.60 5.13
    3 6.30 5.68 3.07 4.91
    4 12.90 11.19 3.00 4.13
    5 9.20 9.17 4.40 6.15
    6 6.46 5.55 2.45 3.21
    7 10.60 9.30 3.60 5.12
    8 17.36 15.10 4.87 7.19
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    表  3  实验因素及水平

    Table  3.   Test factors and levels

    因素 编码 水平
    -1 0 1
    喷嘴直径/mm X1 0.9 1.2 1.5
    射流靶距/cm X2 1.0 3.0 5.0
    射流压力/MPa X3 3.2 5.0 7.2
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    表  4  响应面实验设计及结果

    Table  4.   Response surface test design and results

    序号 X1/mm X2/cm X3/MPa Y1/cm Y2/cm
    1 -1 -1 0 5.0 3.1
    2 1 -1 0 11.3 4.3
    3 -1 1 0 4.2 4.0
    4 1 1 0 8.1 6.3
    5 -1 0 -1 2.5 3.4
    6 1 0 -1 7.6 5.1
    7 -1 0 1 8.4 4.6
    8 1 0 1 19.9 6.6
    9 0 -1 -1 7.7 3.0
    10 0 1 -1 4.2 4.0
    11 0 -1 1 15.8 4.0
    12 0 1 1 8.4 5.7
    13 0 0 0 9.3 5.1
    14 0 0 0 9.3 5.1
    15 0 0 0 9.3 5.1
    16 0 0 0 9.3 5.1
    17 0 0 0 9.3 5.1
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    表  5  射流孔深度模型方差的分析结果

    Table  5.   Analytical results of variance of jet hole depth model

    方差来源 平方和 自由度 平均方差 F P 显著性
    回归模型 265.15 9 29.46 13.16 0.001 3 显著
    X1 89.78 1 89.78 40.10 0.000 4
    X2 27.64 1 27.64 12.34 0.009 8
    X3 117.07 1 117.07 52.29 0.000 2
    X1 X2 1.46 1 1.46 0.65 0.445 2
    X1 X3 10.23 1 10.23 4.57 0.069 9
    X2 X3 3.95 1 3.95 1.77 0.225 6
    X12 2.55 1 2.55 1.14 0.321 4
    X22 8.06 1 8.06 3.60 0.099 7
    X32 4.92 1 4.92 2.20 0.181 9
    残差 15.67 7 2.24
    失拟度 15.67 3 5.22
    纯误差 0.00 4 0.00
    总和 280.83 16
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    表  6  射流孔径宽模型方差的分析结果

    Table  6.   Analytical results of variance of jet hole diameter width model

    方差来源 平方和 自由度 平均方差 F P 显著性
    回归模型 17.16 9 1.91 853.50 < 0.000 1 显著
    X1 6.52 1 6.52 2 916.67 < 0.000 1
    X2 3.96 1 3.96 1 774.50 < 0.000 1
    X3 3.57 1 3.57 1 597.17 < 0.000 1
    X1 X2 0.33 1 0.33 149.33 < 0.000 1
    X1 X3 0.02 1 0.02 9.33 0.018 5
    X2 X3 0.13 1 0.13 58.33 0.000 1
    X12 0.001 4 1 0.001 4 0.61 0.459 0
    X22 2.31 1 2.31 1 032.19 < 0.000 1
    X32 0.23 1 0.23 103.77 < 0.000 1
    残差 0.02 7 0.002 2
    失拟度 0.02 3 0.005 2
    纯误差 0.00 4 0.00
    总和 17.18 16
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    表  7  破土施工参数优化设计目标

    Table  7.   Objectives for optimizing design of construction parameters of ground breaking

    待优化参数 取值范围 目标值
    最小值 最大值
    X1/mm 0.9 1.5 0.9~1.5
    X2/cm 1 5 1~5
    X3/MPa 3.2 7.2 3.2~7.2
    Y1/cm 2.4 20 10,15,20
    Y2/cm 2.9 6.5 最小值
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    表  8  响应面优化设计结果

    Table  8.   Results of response surface optimized design

    方案 设计变量 目标函数值 满意度
    喷嘴直径/mm 射流靶距/cm 射流压力/MPa 射流孔深度/cm 射流孔径宽/cm
    1 0.928 1 7.2 10 3.33 0.948
    2 1.164 1 7.2 15 3.858 0.868
    3 1.345 1 7.2 20 4.277 0.757
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    表  9  优化结果验证

    Table  9.   Optimization result verification

    方案 射流孔深度/cm 误差/% 射流孔径宽/cm 误差/%
    预测值 实验值 预测值 实验值
    1 10 8.943 11.81 3.33 3.789 12.12
    2 15 13.905 7.87 3.858 3.94 2.28
    3 20 17.545 13.99 4.277 4.366 2.06
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出版历程
  • 收稿日期:  2023-08-22
  • 修回日期:  2023-10-16
  • 刊出日期:  2024-02-29

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