岩土振动掘削机理及盾构刀盘复合激振数值仿真研究

发布时间：2017-05-03 14:03

  本文关键词：岩土振动掘削机理及盾构刀盘复合激振数值仿真研究，，由笔耕文化传播整理发布。

【摘要】：盾构机是一个具备多种功能于一体的大型地下隧道开挖衬砌成套设备,盾构刀盘作为其中的核心部件,具有开挖土体,稳定掌子面,搅拌渣土等重要作用,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。因此提出盾构刀盘振动切削模型,通过盾构刀盘的设计选型,以改变刀盘圆周速度及掘进速度的方式实现刀盘振动切削,深入分析刀具的切削破岩机理,通过理论建模分析,刀具运动轨迹分析,结合运用有限元动力学仿真软件LS-DYNA来研究切削过程中的各项载荷的变化情况。本文主要研究的内容与成果如下:1.盾构刀盘系统仿真建模研究。针对工程地质,通过分析刀具受力方式,总结工程经验,完成小型盾构刀盘的设计及刀具的配置。所设计的刀盘符合力学性能,振动性能的一系列要求。2.盾构刀盘振动掘削的动力学仿真。通过对刀具力学模型的建立,运动轨迹的分析,振动掘削减阻机理及土壤材料的研究,在LS-DYNA软件上建立单刀及刀盘动力学切削模型,在刀盘圆周方向上添加正弦激励来改变刀盘转速,通过理论计算和数值模拟仿真相结合的方式得到切削应力及能耗,与匀速切削相比较。研究表明盾构刀盘振动切削的工作方式能有效减少切削应力,但无法确保能耗同时下降。3.振动参数对切削效果的正交试验分析及激振参数优化研究。通过对各项振动参数的分析选型,以等效应力及能耗为衡量标准,进行多次仿真后匹配最优解,分析各激振参数对指标影响程度,得到最佳切削效果。优化后的振动参数不仅能使切削应力下降,还能有效的减少能耗。4.提出盾构刀盘复合振动工作模式。在刀盘圆周方向与水平方向同时添加正弦载荷,与单向振动载荷的结果进行对比分析。结果表明虽然刀盘复合振动的工作模式利于进一步优化切削性能,但激振参数间存在相互影响,因尽量避免两个方向激振频率相互接近。本文提出的将振动切削技术运动到盾构刀盘掘进过程中能有效的提升刀盘的切削性能,同时为复合激振工作模式在将来的运用打下了基础。
【关键词】：盾构刀盘 掘削机理 LS-DYNA 正交试验 复合振动
【学位授予单位】：浙江工业大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2016
【分类号】：U455.39
【目录】：

• 摘要5-6
• ABSTRACT6-11
• 第1章 绪论11-21
• 1.1 课题的背景及意义11-12
• 1.2 国内外研究现状12-17
• 1.2.1 盾构起源及发展12-13
• 1.2.2 盾构技术研究现状13
• 1.2.3 盾构刀盘研究现状13-15
• 1.2.4 振动切削技术研究现状15-17
• 1.3 论文内容概述17-21
• 1.3.1 研究目标17-18
• 1.3.2 研究方法18-21
• 第2章 盾构刀具掘削机理及运动轨迹分析21-31
• 2.1 引言21
• 2.2 盾构刀具工作原理21-22
• 2.2.1 盾构刀具分类21-22
• 2.2.2 刀具工作机理22
• 2.3 盾构刀具受力模型研究22-26
• 2.3.1 切刀受力模型研究22-25
• 2.3.2 滚刀受力模型研究25-26
• 2.4 刀具运动轨迹分析26-28
• 2.5 振动切削能耗模型分析28-29
• 2.6 本章小结29-31
• 第3章 盾构刀盘的设计31-41
• 3.1 引言31
• 3.2 盾构刀盘选型31-32
• 3.3 刀盘设计参数32-35
• 3.3.1 开口率32
• 3.3.2 刀具配置方案32-33
• 3.3.3 刀盘支承形式33-34
• 3.3.4 刀盘负载特性参数34-35
• 3.3.5 刀盘驱动方式35
• 3.4 盾构刀盘模型35-36
• 3.5 刀盘静力学分析36-38
• 3.6 刀盘模态分析38-39
• 3.7 本章小结39-41
• 第4章 刀盘振动切削模拟仿真41-53
• 4.1 LS-DYNA动力学有限元仿真41-42
• 4.1.1 有限元算法41
• 4.1.2 LS-DYNA显式动力学41-42
• 4.2 土壤模型简介42-44
• 4.2.1 屈服准则42-43
• 4.2.2 LS-DYNA中土壤模型选用43-44
• 4.3 单刀切削模拟仿真44-47
• 4.4 刀盘切削模拟仿真47-51
• 4.4.1 LS-DYNA求解过程47-49
• 4.4.2 仿真结果分析49-51
• 4.5 本章小结51-53
• 第5章 激振参数优化及复合激振研究53-73
• 5.1 引言53
• 5.2 激振参数对仿真结果的影响分析53-58
• 5.2.1 振动参数选取53
• 5.2.2 振型对切削效果的影响53-54
• 5.2.3 振幅对切削效果的影响54-56
• 5.2.4 频率对切削效果的影响56-58
• 5.3 正交试验设计与分析58-63
• 5.3.1 正交试验设计58-61
• 5.3.2 试验结果分析61-63
• 5.4 复合激振仿真及结果分析63-71
• 5.4.1 复合激振刀具运动轨迹64-65
• 5.4.2 复合激振结果对比65-66
• 5.4.3 复合激振正交优化66-71
• 5.5 本章小结71-73
• 第6章 总结与展望73-75
• 6.1 总结73-74
• 6.2 创新点74
• 6.3 展望74-75
• 参考文献75-79
• 致谢79-81
• 攻读学位期间参加的科研项目和成果81

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