本发明涉及隧道工程盾构技术领域，尤其涉及一种判别盾构刀具崩刃的数值模拟结构和方法。
背景技术：
目前各大城市修建地铁的步伐越来越快，而盾构法由于其既不影响地面交通，又可减少对附近居民的噪声和振动影响，且能适应各种地质条件的众多优点，已经被广泛应用于地铁隧道施工方法中。而刀具作为其破岩的主要工具，在碰到强度较大的岩体时，往往会使刀具产生严重的磨损甚至崩刃等行为，这样就会导致频繁的开仓换刀，增加了盾构工程的风险，不利于工程的经济性。而数值模拟方法具有简单快捷，易模拟难以达到的实验情况等优势，已经被广泛的运用到科研项目中。
对于盾构刀具崩刃的行为，可以设计一种基于离散元的数值模拟方法来模拟该现象，对真实的盾构刀具设计提供参考，从而提高盾构工程的经济性和安全性。
技术实现要素：
本发明的实施例提供了一种判别盾构刀具崩刃的数值模拟结构和方法，以解决上述背景技术中的问题。
为了实现上述目的，本发明采取了如下技术方案：
本发明的一方面，提供了一种判别盾构刀具崩刃的数值模拟方法。
本发明的实施例提供的一种判别盾构刀具崩刃的数值模拟方法，其特征在于，该方法包括：
在三维制图软件中设置刀具虚拟外壳，将所述刀具虚拟外壳导入离散元软件中并设置为实体状态；
在所述离散元软件中设置刀具颗粒实体，将所述刀具颗粒实体按照预设参数填充到所述刀具虚拟外壳的内部得到盾构刀具的三维模拟结构；
在三维制图软件中设置岩块虚拟外壳，将所述岩块虚拟外壳导入离散元软件中并设置为实体状态；
在所述离散元软件中设置岩块颗粒实体，将所述岩块颗粒按照预设参数填充到所述岩块虚拟外壳的内部得到岩块实体的三维模拟结构；
根据预设的切削条件，给所述岩块实体的三维模拟结构施加一个定向的初速度进行运动，使所述岩块实体的三维模拟结构与所述盾构刀具的三维模拟结构发生碰撞，通过碰撞情况判别所述盾构刀具是否产生崩刃行为。
优选地，所述的在三维制图软件中设置刀具虚拟外壳，将所述刀具虚拟外壳导入离散元软件中并设置为实体状态，包括：
在三维制图软件中，预设所需盾构刀具的三维几何体形状和大小得到所述刀具虚拟外壳；
所述刀具虚拟外壳是一层极薄的具有刀具形状的虚拟轮廓体；
所述刀具虚拟外壳的三维几何体形状包括：滚刀和切削刀。
优选地，所述的在离散元软件中设置刀具颗粒实体，将所述刀具颗粒实体按照预设参数填充到所述刀具虚拟外壳的内部得到盾构刀具的三维模拟结构，包括：
所述盾构刀具的三维模拟结构包括：所述刀具虚拟外壳和所述刀具颗粒实体，所述刀具颗粒实体是由颗粒填充组合而成的刀具实体；
将所述刀具虚拟外壳导入所述离散元软件后，先将所述刀具虚拟外壳设置为实体状态再进行填充操作；
设置刀具颗粒实体包括：颗粒填充和颗粒粘结，先利用离散元颗粒将所述刀具虚拟外壳的内部填充满，再利用bonding模型对所述离散元颗粒进行粘结。
优选地，所述的在离散元软件中设置刀具颗粒实体，将所述刀具颗粒实体按照预设参数填充到所述刀具虚拟外壳的内部得到盾构刀具的三维模拟结构，还包括：
根据所需模拟的盾构刀具的材料情况，对bonding模型的粘结参数进行设置，标定所述离散元颗粒之间的粘结强度，用于模拟盾构刀具的不同强度；
设置刀具颗粒实体还包括：对所述离散元颗粒的大小进行标定。
优选地，所述的在三维制图软件中设置岩块虚拟外壳，将所述岩块虚拟外壳导入离散元软件中并设置为实体状态，包括：
在三维制图软件中，预设岩块的三维几何体形状和大小得到所述岩块虚拟外壳；
所述岩块虚拟外壳是一层极薄的具有岩块形状的虚拟轮廓体；
所述岩块虚拟外壳的三维几何体形状包括：椭球、方形和其它组合体形状。
优选地，所述的在离散元软件中设置岩块颗粒实体，将所述岩块颗粒按照预设参数填充到所述岩块虚拟外壳的内部得到岩块实体的三维模拟结构，包括：
所述岩块实体的三维模拟结构包括：所述岩块虚拟外壳和所述岩块颗粒实体，所述岩块颗粒实体是由颗粒填充组合而成的岩块实体；
将所述岩块虚拟外壳导入所述离散元软件后，先将所述岩块虚拟外壳设置为实体状态再进行填充操作；
设置岩块颗粒实体包括：颗粒填充和颗粒粘结，先利用离散元颗粒将所述岩块虚拟外壳的内部填充满，再利用bonding模型对所述离散元颗粒进行粘结。
优选地，所述的在离散元软件中设置岩块颗粒实体，将所述岩块颗粒按照预设参数填充到所述岩块虚拟外壳的内部得到岩块实体的三维模拟结构，还包括：
根据模拟现场的岩块强度情况，对bonding模型的粘结参数进行设置，标定所述离散元颗粒之间的粘结强度，用于模拟岩块的不同强度；
设置岩块颗粒实体还包括：对所述离散元颗粒的大小进行标定。
优选地，所述的根据预设的切削条件，给所述岩块实体的三维模拟结构施加一个定向的初速度进行运动，使所述岩块实体的三维模拟结构与所述盾构刀具的三维模拟结构发生碰撞，通过碰撞情况判别所述盾构刀具是否产生崩刃行为，包括：
根据预设的切削速度和切削深度条件，给所述岩块虚拟外壳施加一个定向的初速度来带动内部的所述岩块颗粒实体一起运动；
将所述岩块实体的三维模拟结构的运动设置为通过缓慢均匀的加速到一定初速度止，用于防止突然过大的加速度导致所述岩块颗粒实体的粘结力被破坏；
所述岩块实体的三维模拟结构的运动方向由岩块与盾构刀具之间的切削深度方向来确定。
优选地，所述的根据预设的切削条件，给所述岩块实体的三维模拟结构施加一个定向的初速度进行运动，使所述岩块实体的三维模拟结构与所述盾构刀具的三维模拟结构发生碰撞，通过碰撞情况判别所述盾构刀具是否产生崩刃行为，还包括：
在所述岩块实体的三维模拟结构与所述盾构刀具的三维模拟结构发生碰撞之前，将所述刀具虚拟外壳和所述岩块虚拟外壳设置为虚拟状态，使所述岩块颗粒实体与所述刀具颗粒实体进行碰撞，通过碰撞情况判别在所设条件下，所述盾构刀具是否产生崩刃行为。
本发明的另一方面，提供了一种判别盾构刀具崩刃的数值模拟结构。
本发明的实施例提供的一种判别盾构刀具崩刃的数值模拟结构，其特征在于，该结构包括：刀具虚拟外壳、刀具颗粒实体、岩块虚拟外壳和岩块颗粒实体，所述刀具颗粒实体填充于所述刀具虚拟外壳的内部，所述岩块颗粒实体填充于岩块虚拟外壳的内部；
所述刀具虚拟外壳和所述岩块虚拟外壳，由三维制图软件绘制并设定形状和大小；
所述刀具颗粒实体和所述岩块颗粒实体，由离散元软件中的颗粒粘结组合而成，并通过设定颗粒的粘结参数来模拟不同强度。
由上述本发明的实施例提供的技术方案可以看出，本发明实施例通过在刀具虚拟外壳中采用离散元颗粒填充成刀具颗粒实体，将颗粒粘结成不同形状的刀具，通过改变颗粒间的bonding模型的粘结参数来适应不同刀具的强度；并通过在岩块虚拟外壳中采用离散元颗粒填充成岩块颗粒实体，将颗粒粘结成不同形状的岩块，通过标定粘结参数来模拟不同强度的岩块，然后给岩块颗粒实体一定的速度运动，让其与刀具颗粒实体产生碰撞，从而模拟出其是否产生有崩刃行为。本发明提出的基于离散元的数值模拟方法，对盾构刀具的崩刃行为进行模拟，对真实的盾构刀具设计提供参考，从而提高盾构工程的经济性和安全性。
本发明附加的方面和优点将在下面的描述中部分给出，这些将从下面的描述中变得明显，或通过本发明的实践了解到。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例的技术方案，下面将对实施例描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动性的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
图1为本发明实施例提供的一种判别盾构刀具崩刃的数值模拟结构的结构示意图；
图2为本发明实施例提供的一种判别盾构刀具崩刃的数值模拟方法的处理流程图；
其中，1-刀具虚拟外壳，2-刀具颗粒实体，3-岩块虚拟外壳，4-岩块颗粒实体。
具体实施方式
下面详细描述本发明的实施方式，所述实施方式的示例在附图中示出，其中自始至终相同或类似的标号表示相同或类似的元件或具有相同或类似功能的元件。下面通过参考附图描述的实施方式是示例性的，仅用于解释本发明，而不能解释为对本发明的限制。
本技术领域技术人员可以理解，除非特意声明，这里使用的单数形式“一”、“一个”、“所述”和“该”也可包括复数形式。应该进一步理解的是，本发明的说明书中使用的措辞“包括”是指存在所述特征、整数、步骤、操作、元件和/或组件，但是并不排除存在或添加一个或多个其他特征、整数、步骤、操作、元件、组件和/或它们的组。应该理解，当我们称元件被“连接”或“耦接”到另一元件时，它可以直接连接或耦接到其他元件，或者也可以存在中间元件。此外，这里使用的“连接”或“耦接”可以包括无线连接或耦接。这里使用的措辞“和/或”包括一个或更多个相关联的列出项的任一单元和全部组合。
本技术领域技术人员可以理解，除非另外定义，这里使用的所有术语(包括技术术语和科学术语)具有与本发明所属领域中的普通技术人员的一般理解相同的意义。还应该理解的是，诸如通用字典中定义的那些术语应该被理解为具有与现有技术的上下文中的意义一致的意义，并且除非像这里一样定义，不会用理想化或过于正式的含义来解释。
为便于对本发明实施例的理解，下面将结合附图以几个具体实施例为例做进一步的解释说明，且各个实施例并不构成对本发明实施例的限定。
实施例一
本发明实施例提供了一种判别盾构刀具崩刃的数值模拟结构和方法，基于离散元的数值模拟方法来模拟盾构刀具的崩刃现象，对真实的盾构刀具设计提供参考，并提高了盾构工程的经济性和安全性。
本发明实施例的一方面，提供了一种判别盾构刀具崩刃的数值模拟方法。
本发明实施例提供的一种判别盾构刀具崩刃的数值模拟方法的处理流程图如图2所示，包括如下的处理步骤：
s210：在三维制图软件中设置刀具虚拟外壳，将刀具虚拟外壳导入离散元软件中并设置为实体状态。
在三维制图软件中，预设所需盾构刀具的三维几何体形状和大小得到所述刀具虚拟外壳。
所述刀具虚拟外壳是一层极薄的具有刀具形状的虚拟轮廓体；所述刀具虚拟外壳的三维几何体形状包括：滚刀和切削刀。
s220：在离散元软件中设置刀具颗粒实体，将刀具颗粒实体按照预设参数填充到刀具虚拟外壳的内部得到盾构刀具的三维模拟结构。
盾构刀具的三维模拟结构包括：所述刀具虚拟外壳和所述刀具颗粒实体，所述刀具颗粒实体是由颗粒填充组合而成的刀具实体。
根据所需模拟的盾构刀具的材料情况，对bonding模型的粘结参数进行设置，标定所述离散元颗粒之间的粘结强度，用于模拟盾构刀具的不同强度；设置刀具颗粒实体还包括：对所述离散元颗粒的大小进行标定。
将所述刀具虚拟外壳导入所述离散元软件后，先将所述刀具虚拟外壳设置为实体状态再进行填充操作。
设置刀具颗粒实体包括：颗粒填充和颗粒粘结，先利用离散元颗粒将所述刀具虚拟外壳的内部填充满，再利用bonding模型对所述离散元颗粒进行粘结。
s230：在三维制图软件中设置岩块虚拟外壳，将岩块虚拟外壳导入离散元软件中并设置为实体状态。
在三维制图软件中预设岩块的三维几何体形状和大小，得到所述岩块虚拟外壳。
所述岩块虚拟外壳是一层极薄的具有岩块形状的虚拟轮廓体；所述岩块虚拟外壳的三维几何体形状包括：椭球、方形和其它组合体形状。
s240：在离散元软件中设置岩块颗粒实体，将岩块颗粒按照预设参数填充到岩块虚拟外壳的内部得到岩块实体的三维模拟结构。
所述岩块实体的三维模拟结构包括：所述岩块虚拟外壳和所述岩块颗粒实体，所述岩块颗粒实体是由颗粒填充组合而成的岩块实体。
将所述岩块虚拟外壳导入所述离散元软件后，先将所述岩块虚拟外壳设置为实体状态再进行填充操作。
设置岩块颗粒实体包括：颗粒填充和颗粒粘结，先利用离散元颗粒将所述岩块虚拟外壳的内部填充满，再利用bonding模型对所述离散元颗粒进行粘结。
根据模拟现场的岩块强度情况，对bonding模型的粘结参数进行设置，标定所述离散元颗粒之间的粘结强度，用于模拟岩块的不同强度。
设置岩块颗粒实体还包括：对所述离散元颗粒的大小进行标定。
s250：根据预设的切削条件，给岩块实体的三维模拟结构施加一个定向的初速度进行运动，使岩块实体的三维模拟结构与盾构刀具的三维模拟结构发生碰撞，通过碰撞情况判别盾构刀具是否产生崩刃行为。
根据预设的切削速度和切削深度条件，给所述岩块虚拟外壳施加一个定向的初速度来带动内部的所述岩块颗粒实体一起运动；将所述岩块实体的三维模拟结构的运动设置为通过缓慢均匀的加速到一定初速度止，用于防止突然过大的加速度导致所述岩块颗粒实体的粘结力被破坏。
所述岩块实体的三维模拟结构的运动方向由岩块与盾构刀具之间的切削深度方向来确定。
在所述岩块实体的三维模拟结构与所述盾构刀具的三维模拟结构发生碰撞之前，将所述刀具虚拟外壳和所述岩块虚拟外壳设置为虚拟状态，使所述岩块颗粒实体与所述刀具颗粒实体进行碰撞，通过碰撞情况判别在所设条件下，所述盾构刀具是否产生崩刃行为。
本发明实施例的另一方面，提供了一种判别盾构刀具崩刃的数值模拟结构。
本发明实施例提供的一种判别盾构刀具崩刃的数值模拟结构的结构示意图如图1所示，该模拟结构包括：刀具虚拟外壳1、刀具颗粒实体2、岩块虚拟外壳3和岩块颗粒实体4，刀具颗粒实体2填充在刀具虚拟外壳1的内部，岩块颗粒实体4填充在岩块虚拟外壳3的内部。
刀具虚拟外壳和岩块虚拟外壳，由三维制图软件绘制并设定形状和大小。
刀具颗粒实体和岩块颗粒实体，由离散元软件中的颗粒粘结组合而成，并通过设定颗粒的粘结参数来模拟不同强度。
实施例二
该实施例提供了一种判别盾构刀具崩刃的数值模拟结构和方法，其具体实现结构如图1所示，具体可以包括如下的内容：
刀具虚拟外壳、刀具颗粒实体、岩块虚拟外壳和岩块颗粒实体；刀具虚拟外壳和岩块虚拟外壳均由三维制图软件画出，两者的形状、大小等均可自行设定，刀具颗粒实体和岩块颗粒实体均由离散元软件中的颗粒粘结组合而成，其强度可以由离散元软件中的颗粒粘结参数来设定。
刀具虚拟外壳是一层极薄的具有刀具形状的虚拟轮廓体，可在三维制图软件中画成任意大小形状的刀具(如切刀、滚刀等)。
刀具颗粒实体是由颗粒填充组合而成刀具实体，颗粒之间的粘结强度、颗粒大小等可根据刀具的材料等情况自行标定。
岩块虚拟外壳是一层极薄的具有岩块形状的虚拟轮廓体，可在三维制图软件中画成任意大小形状的岩块(如椭球、方形或其组合体等形状)。
岩块颗粒实体是由颗粒填充组合而成岩块实体，颗粒之间的粘结强度、颗粒大小等均可根据现场的岩块强度进行标定。
一种判别盾构刀具崩刃的数值方法，其使用方法包括以下步骤：
步骤一：先建立所需刀具的三维几何体形状，如滚刀、切刀等，并将其导入离散元软件中，首先设置为刀具虚拟外壳为实体状态。
步骤二：在离散元软件中用颗粒填充刀具内部，待颗粒填充满后，对颗粒之间采用bonding模型进行粘结，此粘结参数可以根据刀具的材料情况进行设置，可用来模拟不同强度的刀具。
步骤三：以同样的方法建立岩块的三维模型并导入到离散元中，并给岩块进行颗粒填充，作为岩块的颗粒实体，此时岩块的虚拟外壳也设置为实体状态。
步骤四：根据需要的切削速度、切削深度等条件，给岩块外壳施加一定方向的速度来带动起内部的岩块颗粒实体也运动起来，此时速度要设置为缓慢加速，以保证岩块颗粒由静止到加速不会破坏掉岩块颗粒实体的粘结力。
步骤五：在速度的带动下刀具颗粒实体与岩块颗粒实体产生接触，在接触前将刀具外壳和岩块外壳均设置为虚拟状态，保证完全是两者的颗粒实体在接触，此时就可以看到在该粘结强度下和该切削速度下，刀具是否产生了崩刃行为。
综上所述，本发明实施例通过在刀具虚拟外壳中采用离散元颗粒填充成刀具颗粒实体，将颗粒粘结成不同形状的刀具，通过改变颗粒间的bonding模型的粘结参数来适应不同刀具的强度；并通过在岩块虚拟外壳中采用离散元颗粒填充成岩块颗粒实体，将颗粒粘结成不同形状的岩块，通过标定粘结参数来模拟不同强度的岩块，然后给岩块颗粒实体一定的速度运动，让其与刀具颗粒实体产生碰撞，从而模拟出其是否产生有崩刃行为。本发明提出的基于离散元的数值模拟方法，对盾构刀具的崩刃行为进行了模拟，对真实的盾构刀具设计提供了参考，从而提高了盾构工程的经济性和安全性。
本领域普通技术人员可以理解：附图只是一个实施例的示意图，附图中的模块或流程并不一定是实施本发明所必须的。
通过以上的实施方式的描述可知，本领域的技术人员可以清楚地了解到本发明可借助软件加必需的通用硬件平台的方式来实现。基于这样的理解，本发明的技术方案本质上或者说对现有技术做出贡献的部分可以以软件产品的形式体现出来，该计算机软件产品可以存储在存储介质中，如rom/ram、磁碟、光盘等，包括若干指令用以使得一台计算机设备(可以是个人计算机，服务器，或者网络设备等)执行本发明各个实施例或者实施例的某些部分所述的方法。
本说明书中的各个实施例均采用递进的方式描述，各个实施例之间相同相似的部分互相参见即可，每个实施例重点说明的都是与其他实施例的不同之处。尤其，对于装置或系统实施例而言，由于其基本相似于方法实施例，所以描述得比较简单，相关之处参见方法实施例的部分说明即可。以上所描述的装置及系统实施例仅仅是示意性的，其中所述作为分离部件说明的单元可以是或者也可以不是物理上分开的，作为单元显示的部件可以是或者也可以不是物理单元，即可以位于一个地方，或者也可以分布到多个网络单元上。可以根据实际的需要选择其中的部分或者全部模块来实现本实施例方案的目的。本领域普通技术人员在不付出创造性劳动的情况下，即可以理解并实施。
以上所述，仅为本发明较佳的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，可轻易想到的变化或替换，都应涵盖在本发明的保护范围之内。因此，本发明的保护范围应该以权利要求的保护范围为准。