全断面掘进机滚刀数值模拟及布置规律优化研究

论文摘要

随着地下空间工程快速开挖的需要和科学技术水平的提高,盾构施工技术在我国得到了广泛应用,应用盾构法进行地下空间工程施工已受到我国政府相关部门和施工企业的高度的重视。盘形滚刀作为盾构掘进机在掘进过程中破岩的主要刀具,其破碎效率直接影响了地下工程施工的效率和成本。目前,国内有关盾构掘进机盘形滚刀破岩特性的研究与国外相比较,尚处于探索阶段。因此,在广泛阅读和钻研国内外盾构掘进机有关刀具破岩理论,相关文献的基础上,对盘形滚刀破岩作用下,岩石介质的失效形式、破坏准则进行深入全面的了解,为建立刀具的破岩机理奠定理论基础。通过对刀具切削性能进行研究,为刀具的结构改进以及盾构掘进机上刀具的布置提供依据,从而达到提高刀具破岩效率的目的。本文的主要研究工作有：(1)滚刀作用下的岩石破碎机理及滚刀受力模型：研究滚刀力学性质、岩石损伤现象及破坏机理、岩石本构关系的细微统计损伤模型,归纳了滚刀受力预测模型,包括伊万斯(Evans)预测公式、秋三藤三郎预测公式、科罗拉多矿业学院预测公式等,为滚刀布置优化设计提供了受力模型的理论基础。(2)通过对盘形滚刀破岩机理的分析,在已有的岩石材料本构研究成果的基础上,根据盘形滚刀作用下岩石破碎的主要失效形式,修正岩石材料的失效准则,以更加满足盾构施工的实际情况。在ANSYS软件中建立盘形滚刀破岩过程有限元分析模型,动态模拟刀具对岩土周边的扰动情况以及刀具受力特性。通过仿真,验证所建立的刀具破岩有限元分析模型的正确性和可行性,为刀具切削不同地质工况的切削性能的研究提供了依据。(3)在大量单因素切削模拟的基础上,分析了刀刃角、切削深度、地质条件以及切削速度等因素对切削性能的影响规律。采用正交试验技术,研究了五因素作用下对盘形滚刀切削性能的影响程度。(4)滚刀布置规律优化设计：综合考虑破岩机理、施工参数以及典型岩石地质条件,通过查阅国内外文献以及同合作单位的一线工程技术专家探讨,给出一般性的TBM滚刀布置设计问题需满足的技术要求,建立全断面岩石掘进机滚刀布置优化模型,给出了全断面岩石掘进机滚刀布置规则及基于遗传算法的滚刀布置设计方法。

论文目录

• 摘要
• Abstract
• 第1章 绪论
• 1.1 论文研究背景
• 1.2 TBM与盾构机
• 1.3 国内外TBM研究状况
• 1.3.1 国外TBM研究状况
• 1.3.2 国内TBM的研究现状
• 1.4 论文研究主要内容及目的
• 1.4.1 研究目的
• 1.4.2 研究内容
• 1.5 本章小结
• 第2章 盘形滚刀破岩机理
• 2.1 盘形滚刀简介
• 2.1.1 盘形滚刀结构
• 2.1.2 盘形滚刀选材
• 2.2 盘形滚刀受力预测公式概述
• 2.2.1 伊万斯（Evans）预测公式
• 2.2.2 秋三藤三郎预测公式
• 2.2.3 科罗拉多矿业学院预测公式
• 2.2.4 华北水电学院预测公式
• 2.3 盘形滚刀破岩机理分析
• 2.3.1 盘形滚刀滚压破岩机理
• 2.3.2 岩体应力场及荷载与侵入度关系
• 2.3.3 岩体损伤过程分析
• 2.4 本章小结
• 第3章 盘形滚刀的破岩仿真与疲劳分析
• 3.1 盘形滚刀破岩的数值计算理论
• 3.1.1 有限元法计算理论及通用有限元软件ANSYS WorkBench简介
• 3.1.2 有限元法分析过程及理论方法
• 3.2 盘形滚刀破岩过程仿真分析
• 3.2.1 有限元模型的建立
• 3.2.2 材料模型
• 3.2.3 网格划分与接触面定义
• 3.2.4 载荷与边界条件
• 3.2.5 仿真结果与分析
• 3.3 基于滚刀破岩仿真的刀圈疲劳分析验证
• 3.3.1 疲劳分析概述
• 3.3.2 盘形滚刀疲劳分析
• 3.3.3 疲劳分析结果和结论
• 3.4 本章小结
• 第4章 盘形滚刀切削性能影响因素研究
• 4.1 盘形滚刀几何参数对切削性能的影响
• 4.2 盘形滚刀工作参数对切削性能的影响规律
• 4.2.1 切削速度对切削力的影响规律
• 4.2.2 切削深度对切削力的影响规律
• 4.3 地质条件对切削性能的影响规律
• 4.4 刀间距对切削性能的影响
• 4.4.1 双刀破岩机理
• 4.4.2 双刀破岩仿真分析
• 4.5 本章小结
• 第5章 全断面掘进机盘形滚刀布置规律研究
• 5.1 全断面岩石掘进机刀盘不平衡力及刀盘扭矩的计算
• 5.1.1 刀盘运动特性
• 5.1.2 盘形滚刀受力及其对刀盘的影响
• 5.1.3 刀盘受力平衡分析
• 5.2 盘形滚刀的布置规律优化
• 5.2.1 理论布置计算
• 5.2.2 布置计算结果
• 5.2.3 刀盘有限元分析对比
• 5.3 刀盘布置算法的影响因素研究
• 5.3.1 刀盘上盘形滚刀的极角布置
• 5.3.2 螺旋线条数对刀盘平衡的影响
• 5.3.3 螺旋线角度对刀盘平衡的影响
• 5.4 本章小结
• 第6章 结论与建议
• 6.1 结论
• 6.2 建议
• 参考文献
• 致谢
• 作者在读期间发表论文