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基于数值仿真技术的盾构刀盘系统载荷与结构特性研究

作　者: 苏翠侠
导　师: 亢一澜; 蔡宗熙
学　校: 天津大学
专　业: 固体力学
关键词: 盾构刀盘 切削仿真 动态掘进载荷 结构响应 顺应性
分类号: U455.39
类　型: 博士论文
年　份: 2011年
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内容摘要


刀盘系统是盾构掘进设备的关键部件，刀盘的工作性能将直接影响工程掘进效率和施工安全性。由于当前地下隧道施工过程中盾构机掘进界面隐蔽，无法直接观测刀盘系统载荷信息，相关的试验和理论分析分别受到模型规模较小和简化过多的限制在获取正常掘进状态的刀盘结构力学特性以及刀盘动态掘进载荷分布方面存在一些困难。当前有限元技术的发展使得数值模拟成为工程结构可靠性分析的重要工具之一，也是研究刀盘问题的一种有效方法。针对当前盾构刀盘载荷分析和刀盘可靠性设计缺少必要的研究方法的现象，本文通过研究有限元相关技术提出了一种基于数值方法的盾构刀盘掘进全物理过程仿真模型，从切削角度出发，将隧道掘进过程视为刀盘系统与土体的相互作用问题，采用损伤失效准则模拟土体切屑分离过程，实现了盾构刀盘掘进过程的直接数值模拟。同时通过分析和提取典型盾构刀盘的拓扑结构特征，开发了一套盾构机刀盘参数化建模系统，解决了盾构刀盘建模过程耗时、费力、重复性工作多等问题。本文利用刀盘掘进全物理过程仿真模型模拟了盾构刀盘连续掘进隧道过程，对刀盘动态掘进载荷分布和结构力学特性进行了研究。根据刀盘与掌子面土体的相互作用得到了刀盘法向和切向动态切削载荷分布以及掘进过程中刀盘扭矩随掘进时间的变化规律，分析了地质参数、施工参数和结构参数对刀盘掘进载荷的影响。对考虑动态效应和面对脱困载荷情况下的刀盘刚度、强度等力学结构特性进行了校验。结合刀盘系统扭矩构成和分布规律，分析了面对不同地层的刀盘顺应性问题，证实了盾构扭矩直接相关的诸多因素中隧道埋深和土体的粘聚力对其影响最大。通过数值和实验证指出了刀盘中心刀结构在刀盘承载方面的重要影响。

全文目录


摘要  3-4
ABSTRACT  4-8
第一章 绪论  8-16
  1.1 选题背景与研究意义  8-9
  1.2 盾构机刀盘设计及载荷研究现状  9-11
    1.2.1 盾构机刀盘设计  9-10
    1.2.2 盾构机刀盘载荷研究  10-11
  1.3 切削仿真技术研究现状  11-14
    1.3.1 土体材料本构特性  11-12
    1.3.2 土-刀相互作用的模拟技术  12-13
    1.3.3 切屑分离模拟方法  13-14
  1.4 本文主要工作  14-16
第二章 盾构刀盘掘进全物理过程仿真  16-39
  2.1 盾构刀盘参数化建模  16-27
    2.1.1 刀盘结构拓扑形状提取  16-20
    2.1.2 刀盘参数化模型的自动生成  20-27
  2.2 刀盘切削物理仿真模型与技术实现  27-38
    2.2.1 刀盘物理仿真模型  27-30
    2.2.2 实现盾构刀盘物理仿真的关键技术  30-38
  2.3 本章小结  38-39
第三章 盾构机刀盘掘进载荷研究  39-61
  3.1 盾构机刀盘刀具切削机理及刀盘载荷分布规律  39-46
    3.1.1 刀盘刀具切削机理  39-42
    3.1.2 刀盘载荷分布规律  42-46
  3.2 地质参数对盾构刀盘载荷的影响  46-55
    3.2.1 地质材料性质对刀盘载荷影响  46-48
    3.2.2 分层特征对刀盘载荷影响  48-53
    3.2.3 隧道埋深对刀盘载荷的影响  53-55
  3.3 施工参数对盾构刀盘载荷的影响  55-57
  3.4 结构参数对盾构刀盘载荷的影响  57-59
  3.5 本章小结  59-61
第四章 盾构刀盘结构的力学特性分析  61-82
  4.1 盾构刀盘可靠性设计  61-65
    4.1.1 刀盘功能与失效分析  61-63
    4.1.2 刀盘形式与结构分析  63-64
    4.1.3 刀盘设计基本准则  64-65
  4.2 辐条式刀盘结构的力学特性分析  65-68
    4.2.1 刚度分析  65-67
    4.2.2 强度分析  67-68
  4.3 两种面板式刀盘结构的力学特性分析  68-74
    4.3.1 直径 6.4 米天津复合式盾构刀盘数值分析  68-70
    4.3.2 直径 6.28 米重庆硬岩刀盘数值分析  70-74
  4.4 关于盾构刀盘顺应性讨论  74-77
  4.5 关于盾构刀盘中心刀结构的讨论  77-81
  4.6 本章小结  81-82
第五章 工作总结与展望  82-84
  5.1 本文工作总结  82-83
  5.2 进一步工作展望  83-84
参考文献  84-90
发表论文和参加科研情况说明  90-91
致谢  91

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中图分类: > 交通运输 > 公路运输 > 隧道工程 > 隧道施工 > 施工机械 > 其他
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