盾构刀具的三维动态仿真研究

论文摘要

在人口密集、城市化进程日益加速的今天，人们把越来越多的目光聚焦到地下空间的开发与利用。这就极大地促进了隧道及地下工程修建技术的发展和应用。在隧道及地下工程众多的修建方法中，盾构法隧道施工技术以其机械化施工、对周围环境影响较小等优点在世界各国被广泛应用。而在盾构法施工过程中位于盾构机最前端的盾构刀盘通过刀盘上的刀具对前方的土体进行切削来完成掘进开挖的任务。所以研究盾构刀具切削土壤的机理对于盾构刀盘的设计有着重要的意义。本文的具体内容包括：1、研究了近十几年来国内外对于刀具切削研究的发展状况和重点方向，以及各种盾构刀具各自的工作原理、适用范围和相互之间的配置形式。2、针对刀具切削土壤过程中出现的土壤大变形问题，将Lagrange、ALE、EFG等三种典型方法做了较深层次的研究，并分别使用了这三种方法对上海典型的软粘土壤切削过程进行仿真模拟分析。分析了三种方法在土壤切削过程中各自的特点和优势，就其计算结果及计算时间等因素进行权衡比对，其中ALE方法在软粘土刀具切削仿真中得到的结果与理论数据较为一致。此外，对于这三种方法在土壤切削仿真的过程中常出现的问题进行了总结并给予了一定的解决方法和建议。3、使用流固耦合理论以及ALE算法进一步对盾构刀具在各种工况下对土壤切削过程进行数值模拟。得到了切削过程中刀具—土壤的接触力随切深、刀刃角、后角、速度等因素改变时的变化规律，其结果与相关理论对比，较为吻合，为盾构刀盘的设计提供了相关的理论依据。

论文目录

• 摘要
• ABSTRACT
• 第一章 绪论
• 1.1 课题研究的背景
• 1.2 盾构施工研究对象及特点
• 1.2.1 盾构施工研究对象
• 1.2.2 盾构施工的特点
• 1.3 盾构技术的发展及盾构类型
• 1.3.1 盾构技术的发展
• 1.3.2 盾构的类型
• 1.4 刀具切削的研究进展
• 1.4.1 盾构刀具研究的意义
• 1.4.2 刀具切削研究的发展状况
• 1.4.3 目前刀具切削的研究重点
• 1.5 本文的研究内容
• 1.5.1 课题来源
• 1.5.2 研究内容
• 第二章 盾构机刀具研究
• 2.1 滚刀
• 2.1.1 单刃滚刀
• 2.1.2 双刃滚刀
• 2.2 切削刀
• 2.3 正面齿刀
• 2.4 刮刀
• 2.5 先行刀
• 2.6 本章小结
• 第三章 ANSYS/LS-DYNA 软件及算法
• 3.1 ANSYS/LS-DYNA 软件
• 3.1.1 LS-DYNA 的发展历史
• 3.1.2 LS-DYNA 程序的分析功能
• 3.1.3 ANSYS/LS-DYNA 程序使用
• 3.2 LS-DYNA 算法研究
• 3.2.1 LS-DYNA 的基本显式算法
• 3.2.2 动力显式算法与静力隐式算法的比较
• 3.2.3 接触算法
• 3.3 本章小结
• 第四章 盾构刀具切削土壤仿真研究
• 4.1 引言
• 4.2 基于Lagrange 的土壤切削仿真
• 4.2.1 Lagrange 方法基本理论
• 4.2.2 Lagrange 仿真结果与分析
• 4.3 基于EFG 的土壤切削仿真
• 4.3.1 EFG 方法基本理论
• 4.3.2 EFG 仿真结果与分析
• 4.3.3 EFG 仿真中的常见问题
• 4.4 基于ALE 的土壤切削仿真
• 4.4.1 ALE 方法基本理论
• 4.4.2 ALE 仿真结果与分析
• 4.4.3 ALE 仿真中的常见问题
• 4.5 本章小结
• 第五章 盾构刀具切削土壤的仿真分析
• 5.1 引言
• 5.2 土壤切削的数值模拟应用
• 5.2.1 仿真模型介绍
• 5.2.2 材料模型
• 5.2.3 载荷和边界条件
• 5.3 仿真结果与分析
• 5.3.1 刀具切削过程的力学分析
• 5.3.2 切深对刀具—土体接触力的影响
• 5.3.3 后角对刀具—土体接触力的影响
• 5.3.4 切削速度对刀具—土体接触力的影响
• 5.3.5 本章小结
• 第六章 结论与展望
• 6.1 结论
• 6.2 展望
• 参考文献
• 发表论文和参加科研情况说明
• 致谢