基于SPH-FEM耦合的高压水射流冲刷泥饼动力学行为仿真方法

本发明涉及隧道工程领域，尤其涉及一种基于sph-fem耦合的高压水射流冲刷泥饼动力学行为仿真方法。

背景技术：

1、随着盾构施工应用领域的拓宽和范围的扩大，盾构在困难地层中施工面临的困难与日俱增。如盾构在硬岩地层中掘进，面临着刀盘刀具磨耗严重的问题；在塑性黏土地层中掘进，刀盘易结泥饼，姿态控制难的问题也十分突出；而盾构在粗粒土地层(如砂卵石地层)中掘进时，则容易出现设备磨耗严重、出渣困难、喷涌等多重施工风险；当盾构软硬地层交互出现地层中掘进，不规则透镜体、孤石、球状风化体、基岩凸起等特殊地质，造成刀具磕落、管片上浮、盾构刀盘结泥饼、渣土堵舱的情况更加频繁。盾构施工遇到上述工程技术问题，往往需要花费大量的时间和金钱去逐一排除，这极大的限制了盾构施工的效率，同时增加了盾构施工成本。

2、针对盾构在黏性地层掘进易结泥饼问题，常见的结泥饼处置方法为水射流冲刷。但目前国内外对于刀盘结泥饼冲刷的相关研究较少，结泥饼处置多采用室内试验、调整刀盘设备和现场工程参数调节等方法，目前还没有利用光滑粒子流体动力学数值模拟方法开展结泥饼冲刷的仿真研究。

技术实现思路

1、为了解决目前对于盾构施工中刀盘结泥饼冲刷的相关研究较少，导致盾构施工效率低、盾构施工成本高的技术问题，本发明提供一种能够准确模拟出水射流冲击泥饼，从而获取水射流冲击泥饼的准确情况，进而提供对于盾构喷嘴进行结构改进方案的基于sph-fem耦合的高压水射流冲刷泥饼动力学行为仿真方法

2、为了实现上述技术目的，本发明的技术方案是，

3、一种基于sph-fem耦合的高压水射流冲刷泥饼动力学行为仿真方法，包括以下步骤：

4、步骤1，根据盾构刀盘高压水射流冲刷口结构，建立冲刷口的喷嘴、喷嘴喷出的水射流和附着在刀盘上的泥饼的几何模型。

5、步骤2，对喷嘴、水射流和泥饼的几何模型进行网格划分，分别得到喷嘴、水射流和泥饼的三维有限元即fem网格模型。

6、步骤3，基于水射流的fem网格模型，在每个网格节点处生成sph粒子，从而形成离散化的sph颗粒流模型。

7、步骤4，组合喷嘴和泥饼的fem网格模型以及水射流的sph颗粒流模型，形成sph颗粒流模型与fem网格模型、以及fem网格模型之间互相接触的sph-fem耦合模型。

8、步骤5，设置耦合模型初始计算材料属性，并根据水的物理参数，定义sph颗粒流的物理参数和状态方程。

9、步骤6，设置sph颗粒流模型与fem网格模型之间为点面接触，fem网格模型之间为面面接触，并设定边界条件、持续的时间步的总数和一个时间步的时长。

10、步骤7，在每个时间步中对sph-fem耦合模型进行计算求解，从而在每个时间步后均获取一个求解结果。并在结束每一个时间步时判断是否达到持续的时间步的总数，若未达到则继续进行求解，否则终止计算，并保存所有求解结果。

11、所述的方法，所述的步骤2中，对喷嘴的几何模型进行网格划分，是基于壳单元划分方法来进行网格划分以生成若干个喷嘴的壁面壳单元，从而形成喷嘴的fem网格模型。

12、所述的方法，所述的步骤2中，对水射流和泥饼的几何模型进行网格划分，是基于实体单元划分方法来进行网格划分，以生成若干个水域网格和若干个泥饼网格，从而生成水射流和泥饼的fem网格模型。

13、所述的方法，所述的步骤3包括：在每一个水域网格的节点处生成sph粒子，然后将原始fem模型网格删除，从而通过具有质量且占有独立空间的sph粒子来表示水域。且sph粒子之间不需要任何连接，排列方式也不受限制，即将水射流进行离散化，得到sph颗粒流模型。

14、所述的方法，所述的步骤5中，设置耦合模型初始计算材料属性包括：

15、泥饼和喷嘴采用plastic_kinematic随动硬化材料模型，模型的屈服强度计算公式为：

16、

17、其中，σy为屈服强度，σ0为初始屈服强度，ep为塑性硬化模量，为有效塑性应变，p、c为输入常数，ε为应变率，β为硬化参数，取值为0-1之间，用以描述不同的硬化模型，β＝0时，为随动硬化，屈服面大小不变，沿塑性应变方向移动。β＝1时，为各向同性硬化，屈服面位置不变，大小随应变而变化。β在0到1之间，属于混合硬化模型，屈服面位置和大小均改变。

18、所述的方法，塑性硬化模量ep的计算公式为：

19、

20、其中e为弹性模量，et为切线模量。

21、所述的方法，所述的步骤5中，根据水的物理参数，定义sph颗粒流的物理参数和状态方程包括：

22、采用null材料模型定义水的物理参数，并将gruneisen状态方程赋予水，gruneisen状态方程为：

23、

24、其中，p为压力，ρw为水密度，c为冲击波波速-粒子速度关系式vs-vp曲线的截距，vs为冲击波波速，vp为粒子速度，s1、s2、s3是vs-vp曲线的斜率，γ0为gruneisen常数，a为关于gruneisen系数γ0与μ＝ρ/ρ0-1的一阶体积修正量，ρ为当前体密度，ρ0为初始体密度，ea为单位体积内能，μ为体积变化率。

25、所述的方法，所述的步骤6中，sph颗粒流模型与fem网格模型之间，即水射流与喷嘴和水射流与泥饼间均采用点面接触计算。接触刚度k的计算公式为：

26、k＝max(slsfac×sfs×k0,sofscl×k1)

27、其中，slsfac为滑动界面罚函数比例系数，sfs为默认从接触面罚函数因子，sofscl为软约束选项的约束力比例因子，k0、k1为材料、节点相关的刚度。

28、fem网格模型之间，即喷嘴与泥饼之间采用面面接触进行计算，接触刚度k的计算公式为：

29、k＝max(slsfac×sfm×k0,sofscl×k1)

30、其中，sfm为默认主罚刚度比例系数。

31、所述的方法，所述的步骤6中，边界条件是将泥饼fem网格模型的底面处网格节点，以及喷嘴fem网格模型的全部网格节点进行固定约束。

32、本发明的技术效果在于，本发明能够清晰的得到泥饼冲击坑形态，通过改变水射流不同初始流速获得不同的冲击范围，实时展现水射流冲刷的冲击行为，从而有助于研究水射流对刀盘结泥饼去除机理。

技术特征：

1.一种基于sph-fem耦合的高压水射流冲刷泥饼动力学行为仿真方法，其特征在于，包括以下步骤：

2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述的步骤2中，对喷嘴的几何模型进行网格划分，是基于壳单元划分方法来进行网格划分以生成若干个喷嘴的壁面壳单元，从而形成喷嘴的fem网格模型。

3.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述的步骤2中，对水射流和泥饼的几何模型进行网格划分，是基于实体单元划分方法来进行网格划分，以生成若干个水域网格和若干个泥饼网格，从而生成水射流和泥饼的fem网格模型。

4.根据权利要求3所述的方法，其特征在于，所述的步骤3包括：在每一个水域网格的节点处生成sph粒子，然后将原始fem模型网格删除，从而通过具有质量且占有独立空间的sph粒子来表示水域；且sph粒子之间不需要任何连接，排列方式也不受限制，即将水射流进行离散化，得到sph颗粒流模型。

5.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述的步骤5中，设置耦合模型初始计算材料属性包括：

6.根据权利要求5所述的方法，其特征在于，塑性硬化模量ep的计算公式为：

7.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述的步骤5中，根据水的物理参数，定义sph颗粒流的物理参数和状态方程包括：

8.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述的步骤6中，sph颗粒流模型与fem网格模型之间，即水射流与喷嘴和水射流与泥饼间均采用点面接触计算；接触刚度k的计算公式为：

9.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述的步骤6中，边界条件是将泥饼fem网格模型的底面处网格节点，以及喷嘴fem网格模型的全部网格节点进行固定约束。

技术总结
本发明公开了一种基于SPH‑FEM耦合的高压水射流冲刷泥饼动力学行为仿真方法，包括构建水射流冲击泥饼计算模型，基于FEM理论设定土体和冲刷口，基于光滑粒子流体动力学设定流体粒子；基于流‑固耦合理论进行无网格方法和网格方法结合，进行水射流冲击泥饼形态预测计算。本发明通过基于SPH‑FEM耦合的二次开发，可实现基础冲刷流‑固‑土耦合的数值模拟，清晰展现水射流冲击过程中的高速冲刷行为，从而有助于盾构刀盘结泥饼处置的进一步研究。

技术研发人员：施成华,陈海勇,郑晓悦,王祖贤,陶赞旭,孙影杰
受保护的技术使用者：中南大学
技术研发日：
技术公布日：2024/2/29