基于ALE方法的三維有限元盾構(gòu)刀盤切削土壤問題的研究.pdf

1、隨著國家經(jīng)濟(jì)的發(fā)展，城市地下交通的需求不斷增加，隧道盾構(gòu)施工技術(shù)正日益成為一個熱門的課題。在隧道施工中,而位于盾構(gòu)機(jī)最前端的盾構(gòu)刀盤通過刀盤上的刀具對前方的土體進(jìn)行切削來完成掘進(jìn)開挖的任務(wù)。所以研究盾構(gòu)刀盤切削土壤的機(jī)理，對于提高盾構(gòu)機(jī)的工作效率有著重要的意義。 本文提出用流固耦合理論來解決固體大變形的問題，利用ALE法模擬來模擬盾構(gòu)切削土壤的過程，解決盾構(gòu)掘進(jìn)過程中土壤的大變形問題。提出了以盾構(gòu)施工仿真均衡區(qū)域分解方法為基礎(chǔ)的

2、并行算法。具體內(nèi)容包括： 根據(jù)盾構(gòu)施工中土體的特點(diǎn)，提出基于ALE方法的盾構(gòu)刀盤切削土壤的仿真，用流固耦合的理論來解決土壤的大變形問題。避免了傳統(tǒng)土壤切削問題研究拉格朗日方法對于大變形問題計算不準(zhǔn)且需要預(yù)先確定單元分離準(zhǔn)則，歐拉方法必須邊界條件和切削后的形狀必須事先確定的問題。對ALE有限元法的動力描述、控制方程和顯式有限元方程進(jìn)行推導(dǎo)，為進(jìn)行有限元的并行計算提供必要的理論依據(jù)。 基于盾構(gòu)施工仿真的特點(diǎn)，提出適合刀盤切削

3、仿真的土壤模型所需具有的性質(zhì)，包括能反映土壤含水量和超孔壓力的效果彈性階段的本構(gòu)關(guān)系，屈服面特性、超孔壓力特性以及應(yīng)變硬化和應(yīng)變軟化特性。結(jié)合土力學(xué)確定得到盾構(gòu)切削仿真所需的有限元參數(shù)。并通過土壤切割的有限元仿真，驗(yàn)證ALE方法和有限元土壤模型對于土壤切割問題研究的可行性。 使用ALE方法的盾構(gòu)刀盤有限元切削方法的理論，對模型盾構(gòu)試驗(yàn)在模型進(jìn)行等比例有限元仿真。將試驗(yàn)結(jié)果作為參照量，對仿真方法進(jìn)行驗(yàn)證，仿真結(jié)果數(shù)據(jù)基本符合試驗(yàn)數(shù)

4、據(jù)，同時該方法能很好的反映盾構(gòu)刀盤切削土壤物理現(xiàn)象。還對盾構(gòu)刀具的失效進(jìn)行了研究，為以后刀盤的設(shè)計打下基礎(chǔ)。 針對流固耦合問題的仿真時間過長，結(jié)合上海超級計算中心曙光4000A計算機(jī)的體系結(jié)構(gòu)，提出了以盾構(gòu)施工仿真均衡區(qū)域分解方法為基礎(chǔ)的并行算法。在該方法中，優(yōu)先進(jìn)行流固耦合接觸區(qū)域的單元分區(qū)，接著進(jìn)行有限元模型的初始化分區(qū)以作為仿真并行計算的預(yù)處理。針對盾構(gòu)施工的有限元模型，分別采用盾構(gòu)施工仿真均衡分區(qū)法和坐標(biāo)遞歸分區(qū)法對有限