一种高效的刀盘掘进过程数值模拟算法

摘要

从岩土单元网格划分和接触对搜索过程两方面入手，提出一种高效的盾构刀盘掘进过程数值模拟算法。引入六结点三棱柱单元，该单元边长比接近于1,且每一个面上的内角近似相等，相比于传统六面体单元，计算效率更高，据此建立一种高效的岩土有限元模型，并通过圆柱体单轴压缩数值模拟实验验证了模型的可靠性和高效性。根据盾构刀盘的掘进行为特点，直接得到可能发生接触的岩土网格结点，相比于传统的全局搜索，更加省时，优化了接触对搜索过程，从而提出了一种新颖高效的搜索算法，并通过自编软件开展单刀破岩过程数值模拟，验证了搜索算法的可靠性和高效性。基于自编软件和上述两种策略，使用单核CPU实现了实际工程中使用的复合盾构刀盘掘进全过程的直接数值模拟，得到了掘进后的岩土掌子面形貌和刀盘刀具的法向力载荷时程曲线及分布规律，并通过与商业软件仿真结果和文献得到的刀盘刀具法向力均值对比验证了自编软件的可靠性。

关键词

全断面隧道掘进机 / 刀盘 / 掘进过程 / 接触 / 有限元模型

基金资助

国家重点研发计划资助项目(No.2022YFC3802300)