山东大学学报(工学版)

作者：耿麒,张俊杰,汪珂,路宇峰,谢立扬,叶敏

单位：1. 西藏天路股份有限公司博士后工作站, 西藏 拉萨 850009;2. 长安大学工程机械学院, 陕西 西安 710064;3. 陕西省铁道及地下交通工程重点实验室(中铁一院), 陕西 西安 710043

关键词：隧道掘进机,滚刀切削,有限元方法,光滑粒子流体动力学,刀间距,

基金：国家自然科学基金青年科学基金资助项目(51805042);陕西省高校科协青年人才托举计划资助(20200411);长安大学中央高校基本科研业务费专项资金资助(300102251201);西藏自治区自然科学基金项目(ZRKX2021000251);中铁一院科研19-87(220225210213)

针对现有隧道掘进机(tunnel boring machine, TBM)滚刀切削过程有限元仿真难以复现密实核传力演化机制所致的“刀下超破、刀间欠破”问题,采用有限元方法(finite element method, FEM)和光滑粒子流体动力学(smooth particle hydrodynamics, SPH)相耦合的数值方法构建TBM双滚刀顺次回转切削的三维仿真模型,选用基于Rankine拉伸截断的摩尔-库伦(Mohr-Coulomb, M-C)弹塑性本构模型,通过模拟单轴压缩和巴西劈裂试验中试样损伤失效过程确立SPH粒子临界转化阈值,开展全尺度TBM刀盘掘进试验以验证所建仿真模型。进行多组仿真研究刀间距对切削效果、法向力、滚动力、比能的影响规律。仿真结果表明:所建仿真模型可直观复现密实核演化、侧向裂纹联通和刀间碴块飞溅等宏观物理现象;仿真与试验的滚刀平均法向力、滚动力相对误差分别为2.2%和11%,验证了仿真模型的可靠性;当刀间距在60~110 mm变化时,切削比能随刀间距增大呈先减小后增大的趋势,最优刀间距为90 mm。本研究所建仿真模型和所得研究结果可为TBM滚刀破岩研究提供新思路。

来源：2022年第1期

《山东大学学报(工学版)》期刊编辑部

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