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原文传递大直径盾构刀盘刀具磨损的离散元仿真与预测方法研究

论文题名：	大直径盾构刀盘刀具磨损的离散元仿真与预测方法研究
关键词：	隧道工程;盾构机;刀具磨损;逆向工程;离散元
摘要：	随着城市区域的深度开发，可利用空间相对有限，为了满足人们日益增长的交通出行需求，地下空间开发，已成为世界范围内城市发展的大趋势。作为地下空间开发建设的主要工法，盾构法因其自身的施工效率高、地表扰动小、作业面安全等诸多优势，被广泛应用于城市公路交通或轨道交通建设。　　然而，盾构机，特别是大直径盾构，在地下掘进过程中，软硬不均、磨蚀性矿物/粘结性矿物含量过高等复合地层的复杂地质条件，造成刀具快速磨损，大大降低刀盘切削效率，给盾构掘进带来严重困难。大直径盾构的刀具磨损问题已成为亟待解决的难题。现阶段，工程上磨损刀具的检测与评估方法依然较为初级，刀具的选择更多依靠经验缺乏理论支撑，刀具磨损规律也大多停留在二维理论推导层面，没有有效利用施工时的土层参数、结构参数、施工参数去探索这些重要参数与已有的磨损数据之间的内在联系。　　因此，本文通过研究基于点云的逆向工程建模及磨损检测，基于离散元的盾构刀具磨损分析以及盾构刀具磨损预测等方法与技术，围绕刀具磨损状态评估、磨损机理与规律、磨损量预测展开了相关研究，主要工作包括：　　（1）设计了基于激光扫描点云多特征点配准的服役刀具磨损的高效、高精度评估方法。提出了先采用点云多点特征进行粗对准，再使用基于无特征配准中的ICP方法进行精对准的综合方法，改善了单独使用一种算法工作的弊端，显著提高了点云拼接质量，提高了刀具磨损分析的可靠性。使用三维激光扫描仪批量扫描磨损刀具获取点云数据，进行逆行建模并与设计刀具进行综合对比，实现了对刀具磨损部位、磨损趋势和磨损量的全面评估。案例分析结果显示，刀具平均磨损量达13mm，最大磨损量15.02mm，而且撕裂刀迎土面的磨损极为严重，刀具迎土面部分位置出现了凹槽，刀具迎土面由原来的非平面磨损成近乎平面，实现了在役刀具磨损的精准建模与状态评估。　　（2）构建了大直径盾构刀盘切削砂土的大型离散元模型，创新实现了多刀型与新旧刀混编的刀具磨损过程的模拟运算与分析。基于Solidworks三维建模软件和EDEM离散元软件，进行了全双刃、全单刃、外双刃内单刃、外单刃内双刃四种组合形式滚刀破岩磨损情况模拟仿真，对比了撕裂刀和滚刀的破岩效果及磨损情况，研究了从刀盘正反转对刀具磨损的影响。得出主要结论，全双刃滚刀相对于单刃滚刀更稳定且偏磨现象更少，但是破岩能力最差，磨损最高；单刃和外双刃内单刃的破岩能力强，磨损量较小但偏磨严重；撕裂刀的磨损量比全双刃滚刀大，即撕裂刀比较适用于软岩和砂性土；刀具的迎土面以及刀具与土接触的正面磨损程度最高且所有刀具类型在掘进过程中都有偏磨现象，盾构机刀盘反转后，刀具平均磨损量上升缓慢，且小于2倍正转时的刀具磨损,但最大磨损仍然会快速增加；刀具经过隧道下半圈的磨损量高于刀具经过隧道上半圈的磨损量现象；刀具磨损量会随着刀具的安装半径增加，但不是随着刀具安装半径线性增加。　　（3）依托工程案例数据分析，建立了大直径盾构刀具的磨损预测方法。统计了盾构机上可更换刀具的分布与磨损量，推导了刀具轨迹距离与刀具磨损量的关系，再通过最小二乘法对已掘进环进行刀具磨损系数分析，拟合出刀具的磨损曲线，最后通过经典算法GA-BP训练后得出磨损模型再进行刀具磨损预测。结果表明，先行刀与滚刀的磨损系数在正面区和弧形区都极为平稳，但在中心区磨损系数差异比较明显；刮刀的磨损系数在掘进过程中在整个刀盘上都表现的极为平稳，预测稳定性较高；复合地层中，刀具磨损受各土层占比影响较严重，将其盾构断面的磨损系数均一化后进行磨损预测得不到比较好的预测效果。
作者：	董勇
专业：	土木工程建造与管理
导师：	陈健
授予学位：	硕士
授予学位单位：	华中科技大学
学位年度：	2021