Abstract:
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Se presenta un modelo numérico del útil y del terreno (suelo o roca) capaz de simular el
proceso de excavación. El principal fenómeno físico considerado es la interacción del útil con el
terreno que lleva al colapso del material excavado y al desgaste del útil (cambio de geometría).
El modelo numérico adoptado se basa en el método de los elementos discretos (discrete
element method, DEM). El método de los elementos discretos es una técnica numérica que
permite la modelización de sólidos como una colección de partículas o elementos de distintas
formas (discos, polígonos, esferas, poliedros) en dos y tres dimensiones. En contraposición con
los métodos tradicionales basados en teorías del continuo (el método de los elementos finitos o
de las diferencias finitas) el método de los elementos discretos presenta la clara ventaja de
poder simular la rotura frágil y dúctil del material a un mismo tiempo. Esto ocurre como una
consecuencia directa de la separación y deslizamiento entre partículas a escala microscópica.
En general, en el método de los elementos discretos se especifican las propiedades a escala
micro de ambos partículas y contactos entre partículas (rigideces y resistencias del contacto,
coeficiente de fricción entre partículas, densidad, etc). A su vez, a escala macro el material se
describe por sus constantes elástica y la resistencia última a tracción y compresión, así como
otros parámetros que no se tendrán en cuenta en este estudio. Dado que no existe una teoría
completa para predecir las propiedades macroscópicas a partir de los parámetros micro y
viceversa, el estudio de la relación entre los parámetros micro y las propiedades del material se
convierte en un prerequisito para poder modelar mediante el método de los elementos discretos
cualquier problema de ingeniería. Por tanto, en una prioridad del presente estudio.
En el método de los elementos discretos se asume que el material puede representarse como
un conjunto de partículas rígidas (esferas en 3D y discos en 2D) que interaccionan entre sí. Se
asume que la deformación del material (roca o suelo) se concentra en los puntos de contacto
entre los elementos discretos. Adoptando unas leyes de contacto adecuadas es posible obtener
un material con las propiedades macroscópicas deseadas. Las leyes de contacto utilizadas para
modelar rocas consideran que los contactos son cohesivos. De tal modo que la pérdida de
cohesión de dichos contactos permite simular la propagación de fracturas en rocas frágiles o
bien el colapso de suelos más dúctiles.
La temperatura es un factor muy influyente en el proceso de desgaste. Se consideran sus
efectos asumiendo que la dureza del útil es función de esta. La fricción que se produce durante
el proceso de excavación causa la generación de calor que es transmitido por conducción y
radiación. Se estudiará la distribución de temperaturas a lo largo del tiempo en el útil y en la
roca o suelo excavados.
En conclusión, se pretende hallar una metodología clara y sencilla para la caracterización de los
parámetro micro de cualquier tipo de material dados sus parámetros macro y realizar una
primera tentativa al problema del desgaste demostrando que se tiene una herramienta eficaz
para su estudio. |