激光辅助TBM圆盘滚刀破岩过程的数值模拟与实验验证

全断面岩石隧道掘进机（以下简称TBM）在进行穿山越岭隧道等地下空间工程建设时,其位于刀盘上的盘形滚刀（以下简称滚刀）与掌子面岩石直接接触破岩;期间,由于地质条件复杂多变,加之滚刀切削工况恶劣,极易造成滚刀失效行为频发,并导致工程施工时间成本和刀具损耗成本大幅增加。本论文在深刻理解传统滚刀破岩机理和激光热裂成孔效应的基础上,针对“三高”（岩石高硬度、高围压、高石英含量）等特殊极端地层下滚刀贯入硬岩困难、刀圈径向磨损失效剧烈等问题,拟提出一种激光辅助TBM滚刀破岩的新构想,并尝试运用理论分析、有限元仿真和物理试验相结合的手段,以缩尺比例滚刀压头为研究对象,系统研究激光辅助TBM滚刀破岩过程中的切削载荷特性、宏微观岩石破坏机制和多因素影响规律,本论文主要研究工作如下:（1）基于热力学原理,运用ANSYS生死单元法,建立了激光破岩有限元模型,研究了不同功率下激光与花岗岩试样相互作用机制,所获岩石孔深/孔径随激光功率的变化规律与试验结果基本一致,验证了所建激光破岩有限元模型的正确性。（2）在LS-DYNA环境下,建立了花岗岩试样的HJC本构模型,对比分析了SHPB仿真与实验过程中花岗岩应力应变特性及其宏观破损形貌的异同,验证了花岗岩试样HJC本构模型在模拟瞬态非线性大变形问题上的有效性;进一步建立了滚刀侵岩有限元模型,通过开展滚刀侵岩仿真与物理试验,验证了所建有限元模型在预测滚刀切削载荷及岩石损伤形貌方面的有效性。（3）提出了可模拟激光辅助滚刀破岩过程的“两步法”,即第一步采用激光破岩有限元模型预测激光孔孔隙形貌;第二步在已有滚刀破岩有限元模型中重构出具有相同孔隙形貌的岩石HJC有限元模型。（4）基于前述“两步法”,初步开展了激光辅助缩尺比例滚刀破岩仿真研究,其结果表明:激光孔能有效降低滚刀破岩垂直力载荷,并促进了滚刀刃侧侧向裂纹向激光孔处扩展,使得破岩量大幅增加,从而显著降低了滚刀破岩比能耗。（5）开展了两因素（孔孔距和刀孔距）五水平的激光辅助滚刀侵岩正交试验,其研究结果表明:刀孔距过小时,花岗岩主要以挤压/剪切方式破碎;随着刀孔距的增加,张拉型破岩效果逐渐增强;当刀孔距超过临界值时,激光孔的存在对滚刀压头侵岩效果几乎无影响;在一定范围内,孔孔距越大,花岗岩破碎块度越高;激光孔的存在,扩大了滚刀侵岩破碎区域、增大了岩碴总质量和岩石破碎块度、降低了滚刀侵岩垂直力载荷、侵入难度系数和比能耗,使得滚刀破岩性能全面提升。本论文初步验证了激光辅助TBM破岩的可行性,提出了一种满足工程精度要求的“两步法”激光辅助TBM滚刀破岩仿真建模方法,并初步探究获得了激光辅助滚刀破岩的最优切削参数。本论文的研究成果对于今后探讨激光辅助滚刀破岩技术具有一定的参考价值。

基本信息

题目	激光辅助TBM盘形滚刀破岩过程数值建模与试验验证
文献类型	硕士论文
作者	彭赐彩
作者单位	湘潭大学
导师	张魁
文献来源	湘潭大学
发表年份	2020
学科分类	工程科技Ⅱ辑
专业分类	公路与水路运输
基金	国家自然科学基金青年项目:“TBM 滚刀作用下岩石密实核动态衍生机制及刀岩界面接触力特性研究”(51704256),湖南省自然科学基金面上项目:“岩石密实核动态衍生效应作用下TBM 滚刀摩擦磨损机理研究”(2020JJ4583),湖南省自然科学基金青年项目:“多场耦合破岩效应作用下TBM滚刀H13钢刀圈制备工艺研究”(2017JJ3292),湖南省教育厅科学研究项目一般项目:“岩粉核物质对 TBM 滚刀刀圈刃部致磨机理研究”(19C1756)
分类号	U455.3
关键词	盘形滚刀,破岩,激光,侵岩,有限元
总页数：	110
文件大小：	8114K

论文目录

摘要

ABSTRACT

第1章 绪论

1.1 课题背景及研究意义

1.2 课题来源

1.3 滚刀破岩研究现状

1.3.1 理论研究进展

1.3.2 试验研究现状

1.3.3 仿真研究现状

1.4 激光破岩技术研究现状

1.4.1 理论研究进展

1.4.2 试验研究现状

1.4.3 仿真研究现状

1.5 研究中存在的问题

1.6 论文主要研究内容

1.7 本章小结

第2章 基于滚刀/激光破岩机理的激光辅助滚刀破岩构想提出

2.1 刀盘系统结构特征介绍

2.1.1 刀盘主体介绍

2.1.2 滚刀结构及刀圈刃形特征

2.2 滚刀破岩机理

2.2.1 滚刀侵岩机理

2.2.2 滚刀回转滚压破岩机理

2.3 激光技术的应用及激光破岩机理

2.3.1 激光技术的应用

2.3.2 激光破岩机理

2.4 激光-刀盘耦合破岩原型机初步设计

2.5 本章小结

第3章 激光破岩有限元建模及试验验证

3.1 激光破岩过程温度场及应力场理论模型

3.1.1 模型简化与问题假设

3.1.2 温度场热传导分析

3.1.3 激光热源模型选择

3.1.4 岩石应力场及损伤模型

3.2 激光破岩过程有限元建模

3.2.1 数值模拟平台选择

3.2.2 建模基本流程

3.2.3 网格设置

3.2.4 花岗岩热物性能参数和物理力学参数

3.2.5 激光破岩数值模拟结果分析

3.4 激光破岩试验验证

3.4.1 激光照射岩石试验

3.4.2 不同激光功率下孔径/孔深形貌分析

3.5 本章小结

第4章 滚刀侵岩建模及试验验证

4.1 基于LS-DYNA的瞬态非线性动力学理论

4.1.1 材料本构模型

4.1.2 控制方程

4.1.3 花岗岩材料模型验证

4.2 TBM滚刀侵岩建模

4.2.1 建模基本流程与模型简化

4.2.2 单元类型选择及网格划分

4.2.3 材料模型的选取及参数设置

4.2.4 接触设置和边界约束

4.2.5 计算求解和结果处理

4.3 滚刀侵岩仿真结果分析

4.3.1 滚刀侵岩应力分析

4.3.2 滚刀侵岩载荷变化规律

4.3.3 破岩量-侵深曲线分析及破碎比能耗计算

4.4 滚刀侵岩试验验证分析

4.4.1 实验平台装置及实验方案介绍

4.4.2 试验结果分析

4.5 本章小结

第5章 激光辅助滚刀破岩建模与侵岩试验

5.1 “两步法”激光辅助滚刀侵岩仿真建模方法

5.1.1 建模流程

5.1.2 岩石几何模型的重建

5.1.3 激光孔辅助滚刀侵岩宏观过程分析

5.1.4 激光辅助滚刀侵岩结果数据分析

5.2 激光辅助滚刀侵岩试验与分析

5.2.1 试验方案介绍

5.2.2 试验结果分析与讨论

5.3 激光辅助滚刀滚压破岩仿真分析

5.3.1 激光孔辅助滚刀滚压破岩过程分析

5.3.2 激光孔辅助滚刀滚压破岩载荷分析

5.4 本章小结

第6章 总结与展望

6.1 论文工作总结

6.2 后续研究展望

参考文献

致谢

攻读硕士期间主要研究成果

参考文献

[1] TBM施工岩爆微震监测的准确率及适用性研究[J]. 土木工程学报 2020(S1)

[2] 双护盾TBM采用锚喷支护试验研究[J]. 四川水利 2020(06)

[3] 护盾式TBM穿越断层破碎带岩机相互作用三维数值模拟研究[J]. 现代隧道技术 2020(06)

[4] 川藏铁路隧道TBM适应性及钻爆法机械化配套研究[J]. 现代隧道技术 2020(S1)

[5] TBM刀盘加工方法及工艺优化[J]. 金属加工(冷加工) 2020(S1)

[6] 引水隧洞TBM施工穿越断层破碎带卡机原因及脱困技术[J]. 陕西水利 2021(01)

[7] 川藏铁路TBM隧道建设挑战及装备创新设计探讨[J]. 隧道建设(中英文) 2021(02)

[8] 敞开式TBM撑靴油缸稳定装置设计[J]. 建筑机械化 2021(02)

[9] TBM刀盘滚刀布置对倾覆力矩的影响规律[J]. 中南大学学报(自然科学版) 2020(02)

[10] 贯入度与刀间距对TBM滚刀破岩推力的影响[J]. 建筑机械化 2020(03)

[11] 双护盾TBM在城轨交通区间隧道工程中的应用[J]. 现代隧道技术 2019(S2)

[12] TBM施工隧洞中超前地质预报的应用研究[J]. 设备管理与维修 2020(08)

[13] 基于多目标支配方案的TBM刀盘布置优化分析[J]. 工程建设与设计 2020(12)

[14] TBM在引水工程隧洞开挖中的应用[J]. 四川水泥 2020(07)

[15] 深部复合地层TBM开挖扰动模型试验研究[J]. 岩土力学 2020(06)

[16] 抽水蓄能电站TBM开挖解决方案研究[J]. 建设监理 2020(03)

[17] 全断面硬岩TBM刀盘结构设计研究[J]. 重型机械 2020(04)

[18] 川藏铁路TBM施工适应性探讨及选型[J]. 建设机械技术与管理 2020(04)

[19] 敞开式TBM精准调向方法研究[J]. 湖南工业职业技术学院学报 2020(04)

[20] 引汉济渭岭北TBM组装洞室设计研究与施工[J]. 铁道建筑技术 2020(09)

[21] 松散型围岩化学灌浆固结技术在TBM施工中的应用[J]. 水利规划与设计 2017(02)

[22] 不完全信息下的反TBM威胁评估[J]. 电光与控制 2016(11)

[23] 喜马拉雅山区域深埋软硬互层地质条件下敞开式TBM施工方法研究[J]. 隧道建设 2017(03)

[24] 引绰济辽工程远距离输水隧洞TBM施工三维数值模拟[J]. 内蒙古水利 2017(02)

[25] TBM双护盾模袋灌浆封闭环的研究与应用[J]. 科技创新导报 2017(06)

[26] TBM围岩对刀具更换的影响及其分析[J]. 水电站机电技术 2016(S1)

[27] 引大济湟工程TBM挤压大变形卡机计算分析与综合防控[J]. 岩土力学 2017(10)

[28] 典型TBM刀盘力学性能分析与对比[J]. 哈尔滨工程大学学报 2016(08)

[29] 基于离散元的超声波振动辅助TBM滚刀碎岩分析[J]. 钻探工程 2021(03)

[30] TBM掘进巷道支护数值模拟分析[J]. 内蒙古煤炭经济 2020(13)

相似文献

[1]TBM机载锚杆钻机钻杆的动力学特性研究[D]. 余昌鑫.华东交通大学2020

[2]TBM掘进机后续带式输送机关键技术研究[D]. 张哲维.山东科技大学2018

[3]单护盾TBM隧道管片破损和错台原因分析及控制研究[D]. 黄冬冬.重庆交通大学2018

[4]飞机动载作用下复合式TBM下穿跑道设计方法及施工控制基准[D]. 王力.西南交通大学2018

[5]青岛地铁组合地层围岩对TBM掘进影响的研究[D]. 底江天.西南交通大学2018

[6]不良地层TBM隧道围岩变形与支护结构受力特征研究[D]. 王鸣冠.西南交通大学2018

[7]开敞式TBM主梁有限元分析及撑靴结构的改进设计[D]. 杨垒.大连理工大学2017

[8]不同工况下的TBM支撑机构动力学[D]. 贺鹏.华东交通大学2018

[9]不同工作模式下TBM试验台撑靴与围岩接触均匀性仿真分析[D]. 王超飞.华东交通大学2018

[10]TBM后配套连续输送机液压收放带系统动态研究[D]. 金娅.煤炭科学研究总院2017