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盾构刀盘三维数值模拟研究

作　者: 王曰启
导　师: 岳澄
学　校: 天津大学
专　业: 桥梁与隧道工程
关键词: 盾构刀盘刀具数值模拟任意拉格朗日—欧拉法流固耦合并行计算
分类号: U455.3
类　型: 硕士论文
年　份: 2008年
下　载: 201次
引　用: 5次
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内容摘要

近年来,随着科学与技术的不断发展,人们对空间需求已经从地上逐步发展到地下,开发利用地下空间最主要的工具就是隧道挖掘机。然而,挖掘过程中盾构会遇到各种不同的地层,刀盘刀具的受力十分复杂,因此,研究盾构刀盘和刀具与土体的相互作用至关重要。利用有限元软件ANSYS建立了盾构刀盘和刀具的有限元模型,对刀盘和刀具进行了静态的数值模拟。模拟了刀盘在不同工况及不同设计方案下,如:在刀盘上施加偏载、改变刀盘和牛腿之间的夹角以及改变刀盘钢板的厚度等,刀盘和刀具的受力状态,这将为优化刀盘结构设计提供依据。深入研究了在不同地区和不同地质条件下土壤模型以及模型参数,充分考虑土壤与刀具之间的相互作用和土壤的失效形式,在此基础上,结合土力学的理论,获得了适合于沿海城市的土壤模型和参数。利用有限元软件ANSYS/LS-DYNA做了三维动态的数值模拟。在模拟的过程中,充分考虑土体材料非线性和土体的大变形,仿真采用任意拉格朗日—欧拉(ALE)算法以及流固耦合的方法,有效解决了土体大变形造成的有限元单元畸变等问题。模拟出盾构在推进过程中,土体被切削过程中的变形情况,使其真实反映了刀盘刀具与土体接触过程中受力状态的变化规律。在动态模拟的过程中使用了计算机并行计算技术,与传统的计算机计算技术相比,并行计算技术有效的降低计算耗时问题并大大提高了计算效率。

全文目录

摘要  3-4
ABSTRACT  4-7
第一章绪论  7-16
  1.1 课题研究的背景  7-8
  1.2 盾构法简介  8-10
  1.3 盾构切削土壤仿真的研究进展  10-14
  1.4 本文主要研究的工作  14-16
第二章 ANSYS及ANSYS/LS-DYNA软件功能  16-21
  2.1 ANSYS概述  16-17
  2.2 ANSYS/LS-DYNA概述  17-18
  2.3 ALE算法  18-21
第三章土体的本构模型及参数  21-31
  3.1 引言  21
  3.2 土体的本构模型  21-26
    3.2.1 弹性阶段的本构关系  21-22
    3.2.2 屈服与破坏准则  22-26
    3.2.3 应变硬化和软化特性  26
  3.3 土壤参数的选择  26-31
第四章并行计算  31-36
  4.1 引言  31
  4.2 并行计算概述  31
  4.3 并行计算的发展  31-33
  4.4 并行计算的区域分解方法  33-35
  4.5 并行计算的算例  35-36
第五章静态下刀盘刀具有限元分析及优化设计  36-46
  5.1 简介  36
  5.2 模型的建立  36-39
    5.2.1 单元与材料模型  36-38
    5.2.2 荷载、边界条件及模型的主要参数  38-39
  5.3 仿真模拟结果分析  39-45
  5.4 小结  45-46
第六章动态下盾构刀盘掘进过程仿真分析  46-57
  6.1 简介  46
  6.2 模型的建立  46-49
    6.2.1 单元与材料模型  46-47
    6.2.2 荷载和边界条件  47
    6.2.3 模型的主要参数  47-49
  6.3 仿真模拟结果与分析  49-55
  6.4 小结  55-57
第七章结论与展望  57-59
  7.1 结论  57
  7.2 展望  57-59
参考文献  59-63
发表论文和参加科研情况说明  63-64
致谢  64

盾构刀盘三维数值模拟研究

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