基于ALE方法的三維有限元盾構刀盤切削土壤問題的研究.pdf

1、隨著國家經(jīng)濟的發(fā)展，城市地下交通的需求不斷增加，隧道盾構施工技術正日益成為一個熱門的課題。在隧道施工中,而位于盾構機最前端的盾構刀盤通過刀盤上的刀具對前方的土體進行切削來完成掘進開挖的任務。所以研究盾構刀盤切削土壤的機理，對于提高盾構機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法模擬來模擬盾構切削土壤的過程，解決盾構掘進過程中土壤的大變形問題。提出了以盾構施工仿真均衡區(qū)域分解方法為基礎的

2、并行算法。具體內(nèi)容包括： 根據(jù)盾構施工中土體的特點，提出基于ALE方法的盾構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且需要預先確定單元分離準則，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行推導，為進行有限元的并行計算提供必要的理論依據(jù)。 基于盾構施工仿真的特點，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關系，屈服面特性、超孔壓力特性以及應變硬化和應變軟化特性。結合土力學確定得到盾構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方法的盾構刀盤有限元切削方法的理論，對模型盾構試驗在模型進行等比例有限元仿真。將試驗結果作為參照量，對仿真方法進行驗證，仿真結果數(shù)據(jù)基本符合試驗數(shù)

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