盾构刀盘三维数值模拟研究

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。