基于ALE方法的三维有限元盾构刀盘切削土壤问题的研究

摘要

随着国家经济的发展，城市地下交通的需求不断增加，隧道盾构施工技术正日益成为一个热门的课题。在隧道施工中,而位于盾构机最前端的盾构刀盘通过刀盘上的刀具对前方的土体进行切削来完成掘进开挖的任务。所以研究盾构刀盘切削土壤的机理，对于提高盾构机的工作效率有着重要的意义。 本文提出用流固耦合理论来解决固体大变形的问题，利用ALE法模拟来模拟盾构切削土壤的过程，解决盾构掘进过程中土壤的大变形问题。提出了以盾构施工仿真均衡区域分解方法为基础的并行算法。具体内容包括： 根据盾构施工中土体的特点，提出基于ALE方法的盾构刀盘切削土壤的仿真，用流固耦合的理论来解决土壤的大变形问题。避免了传统土壤切削问题研究拉格朗日方法对于大变形问题计算不准且需要预先确定单元分离准则，欧拉方法必须边界条件和切削后的形状必须事先确定的问题。对ALE有限元法的动力描述、控制方程和显式有限元方程进行推导，为进行有限元的并行计算提供必要的理论依据。 基于盾构施工仿真的特点，提出适合刀盘切削仿真的土壤模型所需具有的性质，包括能反映土壤含水量和超孔压力的效果弹性阶段的本构关系，屈服面特性、超孔压力特性以及应变硬化和应变软化特性。结合土力学确定得到盾构切削仿真所需的有限元参数。并通过土壤切割的有限元仿真，验证ALE方法和有限元土壤模型对于土壤切割问题研究的可行性。 使用ALE方法的盾构刀盘有限元切削方法的理论，对模型盾构试验在模型进行等比例有限元仿真。将试验结果作为参照量，对仿真方法进行验证，仿真结果数据基本符合试验数据，同时该方法能很好的反映盾构刀盘切削土壤物理现象。还对盾构刀具的失效进行了研究，为以后刀盘的设计打下基础。 针对流固耦合问题的仿真时间过长，结合上海超级计算中心曙光4000A计算机的体系结构，提出了以盾构施工仿真均衡区域分解方法为基础的并行算法。在该方法中，优先进行流固耦合接触区域的单元分区，接着进行有限元模型的初始化分区以作为仿真并行计算的预处理。针对盾构施工的有限元模型，分别采用盾构施工仿真均衡分区法和坐标递归分区法对有限元网格进行分区，实现了模型盾构试验数值模拟的并行计算。通过计算结果的分析可知，本文提出的方法具有更好的加速比和并行效率。