基于断裂力学的盘形滚刀破岩载荷数值模拟

作     者：苏召斌 

作者单位：天津大学 

学位级别：硕士

导师姓名：蔡宗熙

授予年度：2012年

学科分类：08[工学] 080102[工学-固体力学] 0801[工学-力学（可授工学、理学学位）] 

主      题：裂纹扩展 网格分裂 节点移动 破岩载荷 刀间距优化 

摘      要：全断面掘进机(TBM)在破岩掘进过程中,盘形滚刀与前方岩体直接接触并相互作用,破岩载荷是影响其掘进性能的重要因素。因此破岩载荷是TBM滚刀设计和刀盘布置的关键因素,对单滚刀和双滚刀作用下破岩载荷的深入研究具有理论价值和工程指导意义,研究破岩载荷可以为TBM设计和刀盘布置提供参考。 本文对脆性岩石在盘形滚刀作用下的破坏问题进行了数值模拟。数值模拟采用线弹性断裂力学理论,通过赫兹裂纹扩展以及裂纹贯通的途径对滚刀破岩进行数值模拟,重点探讨了不同因素对盘形滚刀破岩载荷的影响。具体主要做了以下几方面的工作: (1)基于最大周向应力理论的裂纹扩展模型,编制APDL程序实现裂纹的自适应扩展。对已有的网格分裂方法进行补充并合理的简化,采用节点移动算法避免出现畸变的网格。对裂纹尖端使用1/4节点单元并进行细划分,得到精确的裂纹应力强度因子,并计算裂纹扩展角度和扩展能力。分别对均匀拉伸板、单轴压缩岩石以及双集中载荷作用岩石的裂纹扩展过程模拟,验证了算法的适应性和有效性。 (2)对单滚刀作用下的岩体破碎过程进行数值模拟,讨论了不同围压、不同初始裂纹长度和角度对破岩载荷的影响。结果表明,岩石在单滚刀作用下能够促使侧向裂纹扩展以致破碎块体的产生。在特定工况下,初始裂纹角度为45°时,破岩载荷最小。 (3)对双滚刀同时作用下岩体破碎过程进行了数值模拟,讨论了不同围压、不同裂纹初始长度和角度对破岩载荷的影响。结果表明,岩石在双滚刀作用下能够促使裂纹交汇,围压越大,裂纹就越容易水平交汇。 (4)对双滚刀作用在无围压和20MPa围压作用时刀间距进行了优化,发现破碎比能系数随着刀间距的增加有一个逐渐减小然后增加的过程。在特定工况下,无围压和20MPa作用下最优刀间距分别为65mm和60mm。