盾构掘进机切刀切削软岩和土壤受力模型研究及实验验证

摘要

盾构掘进机是一种广泛应用于地铁、铁路、公路、市政、水电等隧道工程施工的大型机械设备。刀盘刀具是盾构掘进机的关键部件，主要用来完成对掌子面岩土破碎剥离。刀盘刀具的结构参数、工作参数与地质参数的适应性，是盾构掘进机高效掘进的基本保障。论文针对盾构掘进机刀盘上刀具的特点，从切削机理入手，研究刀盘上刀具布置特点，运动特性和受力特性，建立刀具的切削受力模型，为刀具的优化设计和寿命预测提供了理论依据。本文完成了如下主要工作： 1、本文首先分析了某型土压平衡盾构掘进机和泥水平衡盾构掘进机刀盘的特点及刀具的配置原则和布置规律。在此基础上，对刀具的运动规律进行分析，建立了盾构掘进机切刀、正滚刀、边滚刀的运动学方程以及切削岩土轨迹曲线长度方程。 2、在分析了软岩和粘土的物理力学特性以及切刀切削过程的基础上，根据最大拉应力理论，建立了切刀切削软岩的受力模型；根据土力学理论，将刀具切削粘土时的失效区分为中心楔形失效区和侧部两个半月型失效区，建立了刀具切削粘土的受力模型。 3、在ANSYS/LS-DYNA软件中建立切刀切削岩土的仿真模型，分析了刀具不同结构参数与工作参数的组合对刀具载荷的影响规律，得到了仿真结果与受力模型结果基本一致。 4、在直线切削实验台上进行了切刀切削模拟试料实验，实验结果得出了刀具的载荷变化规律，验证了仿真模型和受力模型的有效性和正确性。

目录

文摘

英文文摘

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第一章绪论

1.1课题研究背景及来源

1.2国内外盾构掘进机刀具受力模型研究现状

1.3课题的研究目的与意义

1.4本文的主要研究内容

1.5本章小结

第二章盾构掘进机刀具布置及运动规律研究

2.1盾构掘进机切刀结构

2.2盾构掘进机切刀布置规律

2.2.1切刀布置方式

2.2.2某型号土压平衡盾构掘进机刀具布置分析

2.2.3某型号泥水平衡盾构掘进机刀具布置分析

2.3盾构掘进机切刀运动学分析

2.3.1运动坐标系的建立

2.3.2切刀运动学模型

2.3.3切刀切削岩土的轨迹长度确定

2.4盾构掘进机滚刀运动学分析

2.4.1正滚刀的运动轨迹方程

2.4.2边滚刀的运动轨迹方程

2.4.3滚刀破岩曲线弧长的确定

2.5本章小结

第三章盾构掘进机切刀受力模型研究

3.1岩石的特性

3.1.1岩石的相对密度与重度

3.1.2岩石的孔隙指标

3.1.3岩石的单轴抗压强度、抗拉强度与坚硬程度指标

3.1.4软岩的力学特性

3.1.5岩石的变形过程

3.1.6岩石的破坏类型

3.2土壤的特性

3.2.1土壤物理特性指标

3.2.2粘土的基本特性

3.3切削破碎过程分析

3.4切刀切削软岩的受力模型

3.5切刀切削粘土的受力模型

3.6切刀受力模型参数分析

3.7本章小结

第四章 盾构掘进机切刀切削岩土仿真研究

4.1 ANSYS／LS-DYNA软件介绍及切刀切削岩土的有限元法基础

4.1.1 ANSYS／LS-DYNA软件介绍

4.1.2切刀切削岩土的有限元法基础

4.2盾构掘进机切刀切削岩土有限元模型的建立

4.2.1切刀切削岩土实体模型

4.2.2切刀材料的模拟

4.2.3软岩材料的模拟

4.2.4粘土材料的模拟

4.2.5切刀切削岩土有限元模型

4.2.6初始条件和边界条件的确定

4.3切刀切削岩土仿真结果分析

4.3.1切刀切削软岩仿真结果分析

4.3.2切刀切削软岩仿真结果与受力模型结果对比

4.3.3切刀切削粘土仿真结果分析

4.3.4切刀切削粘土仿真结果与受力模型结果对比

4.4本章小结

第五章 盾构掘进机切刀切削软岩实验验证

5.1实验目的和实验内容

5.1.1实验目的

5.1.2实验内容

5.2实验系统

5.2.1实验台

5.2.2测试系统

5.2.3压力试验机

5.3实验试样制备

5.4实验结果及分析

5.5实验结果与仿真结果、受力模型结果对比

5.6本章小结

第六章 结论和展望

6.1结论

6.2展望

参考文献

致谢

攻读学位期间的主要研究成果