一种滚刀破岩作用下的数值模拟方法与流程

本发明涉及滚刀破岩模型，具体是一种滚刀破岩作用下的数值模拟方法。

背景技术：

1、盾构在岩层内掘进时，盾构上的刀具(通常是滚刀)会嵌入岩石内部(即实现破岩)，并作用在刀具形成法向和环向作用力，从而达到切削岩石的目的，也即达到破岩的目的。不同刀具作用力下的破岩效果是不一样的，最优的刀具破岩参数组合能够使得切削出来的岩块较大、刀具磨损很小，且掘进效率最高。为此，获得最优的掘进参数组合对于在岩层中进行盾构掘进意义重大。

2、为了获得掘进参数，可以采用现场掘进试验或者通过数值模拟分析得到。现场掘进试验需要时间成本、人力成本和设备成本，且对刀具磨损较大。数值模拟分析方法正好可以克服这些成本的问题，是一种较为有效的分析方法。但是岩石磨碎过程是非常复杂的，涉及岩石的塑性变形、裂缝的弥散随机扩展等，现有的针对断裂力学的裂缝开展模拟方法是不可行的。目前基于块体动力学的分析方法也能实现滚刀破岩的模拟，也即在块体之间设置接触面，接触面参数通过切向和法向设置弹簧实现，但这种方法没有考虑岩石的损伤软化、岩石开裂后的摩擦接触、破碎过程中的能量释放，且界面接触的力学模型与实际的岩石材料的本构模型相差很大。

3、综上，现有针对滚刀破岩的数值模拟方法还存在不足，主要是无法针对脆性材料的弥散裂缝进行模拟和计算，从而无法获得可以更好指导实际掘进工程所需要的掘进参数。

技术实现思路

1、针对现有技术的不足，本发明的目的是提供一种滚刀破岩作用下的数值模拟方法，其能够解决背景技术描述的技术问题。

2、实现本发明的目的的技术方案为：一种滚刀破岩作用下的数值模拟方法，包括如下步骤：

3、步骤1：基于数值方法建立滚刀与岩石之间相互作用的滚刀岩石数值模型，滚刀岩石数值模型中采用网格将岩石和滚刀划分若干单元，分别得到岩石单元和滚刀单元；

4、步骤2：将任意两个相邻岩石单元之间插入一个无厚度的黏结单元；

5、步骤3：确定岩石单元、滚刀单元和无厚度黏结单元的的材料参数，材料参数包括力学参数，从而得到最终的滚刀岩石数值模型；

6、步骤4：加载最终的滚刀岩石数值模并进行数值模拟分析，完成数值模拟分析，得到模拟结果，模拟结果作为掘进参数。

7、进一步地，在步骤1的滚刀岩石数值模型中，滚刀与岩石之间通过库伦摩擦相接触。

8、进一步地，在步骤1中，还包括对岩石单元设置边界条件。

9、进一步地，所述边界条件包括对岩石单元的底部约束线位移和角位移，除去底部之外的岩石单元其他部分约束各个面的法向位移。

10、进一步地，在步骤1中，采用四面体、六面体和楔形之一者对岩石进行网格划分，得到岩石单元，采用四面体对滚刀进行网格划分，得到滚刀单元。

11、进一步地，步骤2的具体实现过程，包括以下步骤：

12、步骤2-1：在滚刀岩石数值模型中，遍历每一个岩石单元的每个节点，将共享节点的岩石单元的数量大于1的节点作为共享节点，并存入共享节点集合，共享节点集合初始为空集合；

13、步骤2-2：遍历共享节点集合的每一个节点，对于当前节点，复制n-1个与当前节点相同的坐标，n表示当前节点所共享岩石单元的数量，在当前节点的坐标位置处生成具有相同坐标的节点，每一个节点对应一个坐标，对所有节点进行重新编号，从而生成n-1个新的节点；

14、步骤2-3：重新生成岩石单元编号和各个岩石单元的节点编号，岩石单元编号与未新增节点之前保持一致，每一个节点编号均相异，以使得所有岩石单元之间未有共享同一个节点编号的节点，从而使得岩石单元离散化；

15、步骤2-4：遍历所有岩石单元，在相互接触的岩石单元对中增加一个无厚度黏结单元。

16、进一步地，在步骤3中，滚刀采用刚体或弹性模型，岩石采用弹性或弹塑性模型，无厚度黏结单元的材料参数包括i型、ⅱ型、ⅲ型以及对应的断裂强度ti,tii和tiii，对应的断裂极限位移δⅰ、δⅱ、δⅲ。

17、进一步地，在步骤4中，加载最终的滚刀岩石数值模型包括在刀具上施加转动位移、切向位移、方向位移，以及将表征刀具的滚刀单元压入表征岩石的岩石单元中，

18、掘进参数包括效能se，效能se的计算如公式①所示：

19、

20、式中，w为刀具中心位移1m所需要的能量，v为刀具中心位移1m所切削下来的岩石的体积。

21、进一步地，在步骤4中，加载最终的滚刀岩石数值模型并进行数值模拟分析的过程中，无厚度黏结单元上的应力达到公式②开始损伤，损伤模式为线性或指数形式，其中，公式②如下：

22、

23、式中，σi,σii和σiii分别表示i型、ⅱ型、ⅲ型应力。。

24、本发明的有益效果为：本发明通过在基于岩石和滚刀构件的数值模型的每两个相邻单元之间插入无厚度的黏结单元，实现滚刀破岩过程中随机裂缝开展的模拟，该方法能够快速高效地获得可以指定盾构实际掘进过程中所需要的掘进参数，能够提供参考数据，并且避免了现有数值模拟方法中单元分裂计算的难点，提高了滚刀破岩数值模拟的效率。

技术特征：

1.一种滚刀破岩作用下的数值模拟方法，其特征在于，包括如下步骤：

2.根据权利要求1所述的滚刀破岩作用下的数值模拟方法，其特征在于，在步骤1的滚刀岩石数值模型中，滚刀与岩石之间通过库伦摩擦相接触。

3.根据权利要求2所述的滚刀破岩作用下的数值模拟方法，其特征在于，在步骤1中，还包括对岩石单元设置边界条件。

4.根据权利要求3所述的滚刀破岩作用下的数值模拟方法，其特征在于，所述边界条件包括对岩石单元的底部约束线位移和角位移，除去底部之外的岩石单元其他部分约束各个面的法向位移。

5.根据权利要求4所述的滚刀破岩作用下的数值模拟方法，其特征在于，在步骤1中，采用四面体、六面体和楔形之一者对岩石进行网格划分，得到岩石单元，采用四面体对滚刀进行网格划分，得到滚刀单元。

6.根据权利要求5所述的滚刀破岩作用下的数值模拟方法，其特征在于，步骤2的具体实现过程，包括以下步骤：

7.根据权利要求6所述的滚刀破岩作用下的数值模拟方法，其特征在于，在步骤3中，滚刀采用刚体或弹性模型，岩石采用弹性或弹塑性模型，无厚度黏结单元的材料参数包括i型、ⅱ型、ⅲ型以及对应的断裂强度ti,tii和tiii，对应的断裂极限位移δⅰ、δⅱ、δⅲ。

8.根据权利要求7所述的滚刀破岩作用下的数值模拟方法，其特征在于，在步骤4中，加载最终的滚刀岩石数值模型包括在刀具上施加转动位移、切向位移、方向位移，以及将表征刀具的滚刀单元压入表征岩石的岩石单元中，

9.根据权利要求8所述的滚刀破岩作用下的数值模拟方法，其特征在于，在步骤4中，加载最终的滚刀岩石数值模型并进行数值模拟分析的过程中，无厚度黏结单元上的应力达到公式②开始损伤，损伤模式为线性或指数形式，其中，公式②如下：

技术总结
本发明公开一种滚刀破岩作用下的数值模拟方法，包括如下步骤：步骤1：基于数值方法建立滚刀与岩石之间相互作用的滚刀岩石数值模型，滚刀岩石数值模型中采用网格将岩石和滚刀划分若干单元，分别得到岩石单元和滚刀单元；步骤2：将任意两个相邻岩石单元之间插入一个无厚度的黏结单元；步骤3：确定岩石单元、滚刀单元和无厚度黏结单元的的材料参数，材料参数包括力学参数，从而得到最终的滚刀岩石数值模型；步骤4：加载最终的滚刀岩石数值模型并进行数值模拟分析，完成数值模拟分析，得到模拟结果，模拟结果作为掘进参数。本发明实现滚刀破岩过程中随机裂缝开展的模拟，可高效地获得掘进参数，提高了滚刀破岩数值模拟的效率。

技术研发人员：毛凤山,武坤鹏,温友鹏,朱明星
受保护的技术使用者：中交四航工程研究院有限公司
技术研发日：
技术公布日：2024/1/14