盾构刀盘三维数值模拟研究

论文摘要

近年来,随着科学与技术的不断发展,人们对空间需求已经从地上逐步发展到地下,开发利用地下空间最主要的工具就是隧道挖掘机。然而,挖掘过程中盾构会遇到各种不同的地层,刀盘刀具的受力十分复杂,因此,研究盾构刀盘和刀具与土体的相互作用至关重要。利用有限元软件ANSYS建立了盾构刀盘和刀具的有限元模型,对刀盘和刀具进行了静态的数值模拟。模拟了刀盘在不同工况及不同设计方案下,如:在刀盘上施加偏载、改变刀盘和牛腿之间的夹角以及改变刀盘钢板的厚度等,刀盘和刀具的受力状态,这将为优化刀盘结构设计提供依据。深入研究了在不同地区和不同地质条件下土壤模型以及模型参数,充分考虑土壤与刀具之间的相互作用和土壤的失效形式,在此基础上,结合土力学的理论,获得了适合于沿海城市的土壤模型和参数。利用有限元软件ANSYS/LS-DYNA做了三维动态的数值模拟。在模拟的过程中,充分考虑土体材料非线性和土体的大变形,仿真采用任意拉格朗日—欧拉（ALE）算法以及流固耦合的方法,有效解决了土体大变形造成的有限元单元畸变等问题。模拟出盾构在推进过程中,土体被切削过程中的变形情况,使其真实反映了刀盘刀具与土体接触过程中受力状态的变化规律。在动态模拟的过程中使用了计算机并行计算技术,与传统的计算机计算技术相比,并行计算技术有效的降低计算耗时问题并大大提高了计算效率。

论文目录

• 摘要
• ABSTRACT
• 第一章 绪论
• 1.1 课题研究的背景
• 1.2 盾构法简介
• 1.3 盾构切削土壤仿真的研究进展
• 1.4 本文主要研究的工作
• 第二章 ANSYS及ANSYS/LS-DYNA软件功能
• 2.1 ANSYS概述
• 2.2 ANSYS/LS-DYNA概述
• 2.3 ALE算法
• 第三章 土体的本构模型及参数
• 3.1 引言
• 3.2 土体的本构模型
• 3.2.1 弹性阶段的本构关系
• 3.2.2 屈服与破坏准则
• 3.2.3 应变硬化和软化特性
• 3.3 土壤参数的选择
• 第四章 并行计算
• 4.1 引言
• 4.2 并行计算概述
• 4.3 并行计算的发展
• 4.4 并行计算的区域分解方法
• 4.5 并行计算的算例
• 第五章 静态下刀盘刀具有限元分析及优化设计
• 5.1 简介
• 5.2 模型的建立
• 5.2.1 单元与材料模型
• 5.2.2 荷载、边界条件及模型的主要参数
• 5.3 仿真模拟结果分析
• 5.4 小结
• 第六章 动态下盾构刀盘掘进过程仿真分析
• 6.1 简介
• 6.2 模型的建立
• 6.2.1 单元与材料模型
• 6.2.2 荷载和边界条件
• 6.2.3 模型的主要参数
• 6.3 仿真模拟结果与分析
• 6.4 小结
• 第七章 结论与展望
• 7.1 结论
• 7.2 展望
• 参考文献
• 发表论文和参加科研情况说明
• 致谢