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多滚刀协同破岩过程数值模拟与破岩性能影响因素研究
| 论文题名： | 多滚刀协同破岩过程数值模拟与破岩性能影响因素研究 |
| 关键词： | 硬岩隧道掘进机;盘形滚刀;协同破岩;刀具布置;数值模拟 |
| 摘要： | 硬岩隧道掘进机(TunnelBoringMachine,简称TBM）是目前广泛应用于隧道工程建设的大型装备，位于装备最前端的刀盘是实现持续破岩的关键部件。盘形滚刀作为刀盘上实现岩石破坏的直接工具，其破岩性能直接影响装备施工的稳定性和安全性。在刀盘旋转的过程中，刀盘前方的滚刀群在TBM推进系统的作用下侵入岩石，相邻滚刀间相互配合，致使岩石开裂和裂纹贯通，最终实现岩屑的剥落，多把滚刀相互配合下的岩石破坏过程是装备破岩的关键环节。在滚刀布置和装备掘进过程中影响刀具掘进性能的因素众多。因此，开展多滚刀协同破岩工况下滚刀破岩性能影响因素的数值模拟研究具有重要意义。 本文通过分析多滚刀协同破岩过程的滚刀-岩石相互作用特点以及相邻滚刀协同作用效果，确定了用于模拟多滚刀协同破岩过程的数值模拟方法，利用ABAQUS软件建立了三滚刀回转破岩有限元模型。首先，主要考虑了滚刀与岩石相互作用过程中的岩石损伤失效问题，并基于VUMAT子程序的二次开发方法建立了描述滚刀-岩石接触过程中岩石破碎和剥离等力学行为的岩石材料模型，为本文的研究工作提供了技术手段。然后，构建了三滚刀的螺旋侵入岩石的运动模型，该方法抓住了滚刀群破岩运动的核心特征。最后，通过接触对算法有效解决了岩石暴露的新表面无法与滚刀表面实现接触的问题。 基于所构建的有限元模型，针对刀间距、安装极角差和滚刀切削顺序三个刀具布置的主要影响参量，完成了不同布置参数工况的数值模拟，给出了各工况下的破岩载荷和破岩比能耗等指标。分析了三个布置参数对滚刀破岩性能的影响。通过正交试验分析了多因素交互作用下上述参数对破岩总载荷的影响规律及显著性，结果表明刀间距和安装极角差对破岩载荷的影响是显著的。 针对装备掘进参数和围岩地质特征对滚刀破岩性能的影响，基于所构建的有限元模型，模拟了不同刀盘回转速度、掘进速度、岩石抗压强度以及围岩压力工况下的三滚刀回转破岩过程。分析了掘进参数对单刀载荷、刀群整体载荷和破岩比能耗的影响，以及岩石单轴抗压强度和围岩压力对破岩载荷的影响规律，发现随着围压的增大，围压对滚刀破岩过程起到了先抑制后促进的作用效果。 针对滚刀布置方法与装备掘进参数对滚刀破岩性能的多因素交互作用影响问题，通过响应曲面方法分析了多因素的交互影响效果。分析了刀盘回转速度、装备掘进速度、相邻滚刀的刀间距和安装极角差对破岩载荷和破岩比能耗的单因素影响以及两两交互作用下的多因素影响规律。 |
| 作者： | 刘亚迪 |
| 专业： | 力学 |
| 导师： | 亢一澜 |
| 授予学位： | 硕士 |
| 授予学位单位： | 天津大学 |
| 学位年度： | 2022 |
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