TBM刀具三维破岩仿真

根据TBM现场施工的特点,探索在ANSYS LS／DYNA环境下建立TBM刀具三维破岩仿真模型的方法. 通过算例成功模拟了某型TBM常截面盘形滚刀滚压破碎混凝土的施工过程,获得了TBM盘形滚刀的三向力以及刀圈、混凝土的应力场、刀刃侧滑等信息,并对其进行了分析. 仿真结果表明:盘形滚刀破岩过程呈现明显的跃进式破碎的特点,刀圈侧滑以及应力集中等现象是造成刀具失效的主要原因.该结论为刀盘的结构设计和工程施工维护提供了基础数据.     

节理岩体下TBM单刃和双刃滚刀破岩特性研究

为了研究在考虑节理地质条件下的两种TBM滚刀破岩规律,采用颗粒离散元法建立不同节理特征下两种滚刀的侵入破岩模型,分析节理岩体下两种滚刀侵入破岩的动态过程、裂纹扩展等规律。研究表明:两种滚刀在侵入节理岩体时,裂纹形成和扩展分为两个典型阶段,两种滚刀在受力以及裂纹数目上存在差异;随节理特征的改变,节理对两种滚刀作用下的裂纹扩展呈引导和阻隔效应,节理间距超过80 mm后,双刃滚刀作用下的裂纹扩展依然受到节理的控制;依据两种滚刀破岩产生的岩碴方式分为常规破岩和节理面协同破岩两种形式;单刃滚刀作用下岩体内部的应力分布随节理倾角变化而偏转,双刃滚刀作用下的应力分布随节理倾角变化影响不大;两种滚刀破岩效率随节理特征改变而改变,当刀间距合适时,双刃滚刀相比单刃滚刀破岩效率要高;双刃滚刀侵入节理岩体存在一个最优刀间距使得破岩效率最高,最优刀间距随节理倾角增加先增大后减小。     

TBM盘形滚刀破岩过程的数值研究

采用ANSYS/LS-DYNA对TBM(tunnel boring machine)滚刀切削岩石的过程进行动态模拟和动力学分析,研究了破岩过程中滚刀的受力情况和滚刀贯入度及滚动速度对切削力的影响规律.结果表明,当岩石单轴抗压强度为45 MPa时,滚刀承受的侧向力、滚动力及正向力的平均值分别约为0、0.45、4.5 k N,在该工况下滚刀的最佳贯入度及滚动速度分别为10 mm和3.6 r/min.研究结果为工程人员在次硬围岩的工况下设计工作参数提供了合理依据.     

硬质岩层中TBM滚刀破岩效率预测模型研究

硬质岩层的盾构施工中,全断面硬岩隧道掘进机(tunnel boring machine,TBM)滚刀破岩效率的研究及工程实践广受关注,目前已有的研究成果不能很好地指导TBM掘进参数的设定以及有效提升破岩效率.为解决这一问题,在破岩效率评价标准的基础上,基于比能耗理论对TBM滚刀破岩效率预测模型展开研究.首先,分别推导得...     

断续节理岩体的TBM滚刀破岩机理研究

为了推广全断面隧道掘进机(TBM)在节理发育地层中的应用,研究断续节理地质条件下TBM滚刀的破岩过程、破岩模式及效率具有重要意义。采用一种新的无网格数值模拟方法即广义粒子动力学(GPD)法,研究断续节理倾角的变化对滚刀破岩模式及效率的影响。结果表明:对含单根断续节理的岩体,节理尖端越靠近加载面,同时越靠近滚刀加载位置时,节理对中央裂纹和破岩深度的抑制作用越大;断续节理倾角对破岩效率的影响不同于连续节理,滚刀切入率P75°P0°P90°P30°P60°P45°P15°,即按照此顺序破岩难度逐渐减小。     

复合岩体的TBM破岩机理数值模拟

为了指导TBM刀盘刀具的研制和不同地质条件下刀盘刀具的选型,TBM破岩机理的研究成为核心。在TBM滚刀的作用下,岩体中裂纹的生成、扩展和连接规律是深刻理解TBM破岩机理的前提,因此,TBM滚刀破岩机理的研究具有重要的工程应用价值。目前,TBM滚刀破岩机理的研究主要集中在单一岩体中,但在TBM施工过程中会遇到各种复杂的地质条件。笔者采用离散元方法,研究了复合岩体的破岩机理,复合岩体中岩片的形成不同于单一岩体,其裂纹的最终连接是由起裂于复合岩体交界面上的微裂纹的扩展,将两滚刀之间的赫兹裂纹连接,最终形成岩片。因此,在一定情况下复合岩体更有利于TBM隧道施工。     

TBM滚刀破岩过程的声发射特征

为了研究隧道掘进机(tunnel boring machine,TBM)滚刀破岩试验过程中的声发射特征,采用北京工业大学自主研制的大型机械破岩试验平台并结合声发射监测技术进行试验。试验中利用常截面盘形滚刀,对北山花岗岩进行不同贯入度下的线性切割破岩试验,并采集试验过程中的声发射信号。分析声发射能率与能量特征,对信号进行小波去噪处理后,利用Geiger算法给出岩石损伤的声发射定位。研究发现:声发射能率与滚刀法向力具有相近的变化趋势;声发射能量随贯入度增大而增加,可用于表征滚刀切削岩石所消耗的能量;声发射定位点大致描述损伤的分布范围,较好地反映出岩石在滚刀切割作用下损伤积累到形成岩片的过程。     

不同地质条件下页岩气水平井地质导向方法研究

南方下古生界海相页岩分布广泛,累积厚度大,其中志留系龙马溪组页岩有机热演化程度适中,分布连续、广泛,是我国页岩气勘探开发的重要目标层系。以川东南彭水—南川地区为例,探讨分析了该地区地质特点以及甜点段选择依据。水平井钻井过程中主要解决三个问题:①利用测、录井资料准确拾取层位,做好层位对比;②利用不同计算方法预测地层倾角;③根据地质特征利用不同方法求取靶点垂深。在确定靶点空间位置后,入靶姿势的选择会在一定程度上影响后续施工难度,文章针对三种主要地质情况提出了不同的入靶策略。该地区的现场应用结果表明,已完钻的28口水平井中,平均水平段长1 540m,优质页岩钻遇率达98.6%,纵向资源利用率在较高水平。结论认为,在充分的地质认识以及物探资料基础上,合理地运用不同地质导向方法可实现水平井准确入靶以及精准穿行。     

双节理岩体TBM滚刀破岩过程数值模拟

为了研究节理特征对全断面掘进机(tunnel boring machine, TBM)盘形滚刀破岩的影响,采用颗粒流方法建立盘形滚刀与含平行双节理岩体的二维数值模型,进行不同节理倾角和间距的30组数值试验,根据数值试验结果研究岩体破裂模式、滚刀竖向接触力峰值随节理倾角和间距的变化规律、滚刀破岩过程中细观裂纹扩展规律。研究结果表明:不同的节理特征下,滚刀破岩可以分为4种基本的破裂模式;滚刀竖向接触力峰值随节理倾角的增大呈现先减小后增大的趋势,在节理倾角为30°或45°时最小,在节理倾角为90°时最大;滚刀竖向接触力峰值随节理间距的增大总体上呈现增大趋势;随滚刀的贯入,滚刀竖向接触力与细观裂纹个数有3个关联的变化阶段。通过研究TBM滚刀与节理岩体相互作用机制,揭示不同节理特征对滚刀破岩的影响规律,对TBM滚刀的合理设计和施工有一定的指导意义。     

土岩组合地质条件下适宜嵌岩深度分析

基于土岩组合基坑支护结构安全的重要性,探讨了保证岩体稳定性的适宜嵌岩深度的精确算法,提出了利用积分形式推导3种临界深度支护桩的嵌岩深度,并配合MATLAB编程与理正设计软件使用,研究了一套可以同时满足支护桩内力变形和岩体稳定的相对智能而高效的计算适宜嵌岩深度的方法,并用实际算例进行验证.结果表明:探寻出的计算流程通过不断的修正计算,给出了适宜嵌岩深度,与传统方法的计算结果相比大于5%,说明仅考虑内力变形要求,嵌岩桩存在失稳的可能;增加考虑岩体的稳定性,可以更科学的确定嵌岩深度,保证支护桩和岩体的稳定性,为土岩组合基坑支护重要设计参数提供参考依据,确保工程的安全性和经济性.     

Effects of discontinuities on penetration of TBM cutters

Based on the triaxial testing machine and discrete element method, the effects of embedded crack on rock fragmentation are investigated in laboratory tests and a series of numerical investigations are conducted on the effects of discontinuities on cutting characteristics and cutting efficiency. In laboratory tests, five propagation patterns of radial cracks are observed. And in the numerical tests, firstly, it is similar to laboratory tests that cracks ahead of cutters mainly initiate from the crushed zone, and some minor cracks will initiate from joints. The cracks initiating from crushed zones will run through the thinner joints while they will be held back by thick joints. Cracks tend to propagate towards the tips of embedded cracks, and minor cracks will initiate from the tips of embedded cracks, which may result in the decrease of specific area, and disturbing layers play as ‘screens', which will prevent cracks from developing greatly. The peak penetration forces, the consumed energy in the penetration process and the uniaxial compression strength will decrease with the increase of discontinuities. The existence of discontinuities will result in the decrease of the cutting efficiency when the spacing between cutters is 70 mm. Some modifications should be made to improve the efficiency when the rocks containing groups of discontinuities are encountered.     

不同模式下 TBM 刀群三维回转切削仿真与优化设计

针对TBM刀群回转切削问题,建立了17寸盘形滚刀刀群切削岩石的数值仿真模型,使用有限元仿真分析软件ANSYS LS-DYNA对不同工作模式下的盘形滚刀回转切削岩石工作过程进行仿真。仿真结果表明,通过对盘形滚刀刀间距进行优化设计,分析不同刀间距下滚刀的力学参数,得到在该地质条件下,中心滚刀最优刀间距为75 mm、正滚刀最优刀间距为80 mm;通过对边滚刀安装角度进行优化,分析不同安装角度下滚刀的力学参数,得到边滚刀最优安装角度为6．5°;通过对滚刀切削岩石的顺次切削角度进行优化,分析不同顺次切削角度下滚刀的力学参数,得到正滚刀最优顺次切削角度为30°、边滚刀为20°。     

复杂工况下连轧过程数值仿真系统研究

针对板、管、棒材连轧过程中出现的工艺制度难以确定、实验研究理论性不强等问题,以非线性有限元为内核,通过机型选择、系统仿真、工艺决策等措施,提出了确定最佳工艺制度的理论和方法。     

不同曝气剪切条件下活性污泥絮体特性研究

采用轮流搅拌-曝气SBR系统模拟两种不同曝气方式(分点曝气和分段曝气),研究其形成的污泥絮体特性.结果表明:在相同的运行条件下,分点曝气形成的污泥絮体尺度大、沉降性能好,两者的SVI平均值分别为133mL/g和202mL/g,平均粒径分别为74.26μm和53.46μm,而且分点曝气中拥有更多的大颗粒絮体;分点曝气形成的污泥絮体稳定性优于分段曝气,在连续曝气条件下,两种污泥絮体均受到剪切破碎,不仅初始粒子被剥离,而且絮体也被打碎变小,但分段曝气被破碎的程度更大;分点曝气和分段曝气所形成的污泥絮体的EPS含量分别为31.21mg/gVSS和21.6mg/gVSS,且前者EPS中的多糖、蛋白质和DNA组分均比后者多,两者EPS的主要组分以蛋白质为主.两种污泥经连续曝气3h后,EPS皆增大,且多糖含量增加较多;分点曝气和分段曝气形成的污泥比阻分别为5.21×1012 m/kg和7.94×1012 m/kg,前者污泥的脱水性能较好.经连续曝气3h后,两种污泥的比阻明显增大,脱水性能变差.     

非稳态工况下无级变速器传动比控制优化

针对非稳态工况下装有无级变速器(CVT)车辆对动力性和经济性的双重要求,以燃油消耗量最低时保证车辆拥有最佳的动力性为目标,提出了最佳匹配线控制策略。结合发动机台架试验,建立了MATLAB/Simulink整车模型,并通过大量的仿真试验确定了各种非稳态工况下燃油消耗与目标传动比的关系,结合车辆动力性进行合理匹配获取最佳匹配线,确定最佳传动比的控制目标。并进行了典型工况的仿真验证,最佳匹配线控制能够给出精确的传动比目标控制量,实现了装有CVT车辆在非稳态行驶工况下的动力性与经济性的最佳匹配。     

达里厄风力机恶劣工况下气动特性的数值模拟

以一台具有三个叶片的达里厄风力发电机为例,分析了不同相位叶片的受力特点;基于Fluent软件,采用雷诺时均N-S方程和k-ωSST模型,结合MRF旋转坐标系技术对垂直轴风力发电机进行了二维数值模拟,研究了该垂直轴风力机的风轮扭矩的周期性变化规律,确定了一个旋转周期内的恶劣工况。通过对恶劣工况下不同来流风速和转速时的瞬态数值模拟获得了其流场特征。研究表明:叶片之间的干扰和风轮的气流泄露将在不同程度上影响风力机的性能,并模拟计算了增加叶片后的扭矩变化规律。     

夜间通风在不同气候条件下的适用性

近年来,夜间通风作为一种被动式降温手段受到越来越多的关注。为了研究夜间通风在中国不同气候条件下的节能效果,选取北京、上海、广州分别作为寒冷地区、夏热冬冷地区以及夏热冬暖地区的代表城市,使用建筑能耗模拟软件Energyplus建立一个办公建筑模型,分别在使用和未使用夜间通风的情况下计算出3个城市建筑在供冷季各月的供冷能耗和总能耗,通过对比,分析夜间通风的节能效果。研究结果表明,在相同的月份,夜间通风的效果会随着城市纬度的增加而增大,但对于整个供冷季,即便是在低纬度的夏热冬暖地区,夜间通风也具有显著的节能效果。     

矿用卡车货箱二工况综合轻量化设计

为了提高工程运输车辆的燃油经济性,降低煤炭企业开采成本,以矿用卡车货箱为研究对象,提出一种矿卡货箱的二工况综合轻量化设计方法.首先,建立矿车货箱的有限元模型,分析了满载匀速行驶和举升卸货两种典型工况下货箱的强度性能.以两种典型工况建立参数优化模型,定义5个设计变量,采用最优拉丁超立方抽样法得到样本点,在建立的二工况综合...     

Effective stress in soils under different saturation conditions

BISHOP’s effective stress or two state stress variables are unsatisfactory for unsaturated soils where one of fluid phases is discontinuous, so new expressions of effective stress should be founded. The approach for derivation was according to the principle of equilibrium of forces (i.e., the stress-sharing principle), and it was firstly validated by demonstrating TERZAGHI’s principle of effective stress. And then, the derivations were subdivided into four parts according to different pore air states: 1) air bubbles were spherical and suspended in pore water; 2) air bubbles were bound on soil skeleton; 3) air bubbles held almost the single section of pore; 4) air phase was continuous. The different formulae of effective stress were presented. Conclusions are drawn as follows: 1) For nearly-saturated soils, the “real” effective stress would be a little smaller than TERZAGHI’s effective stress; 2) For soils in which air phase is discontinuous in the form of bubbles, a new concept of pore air elastic pressure is put forward, and the total stress can be constituted by effective stress, pore water pressure and pore air elastic pressure; 3) For soils in which air phase is continuous, effective stress is equal to the value of the total stress plus suction; 4) Suction can be divided into two parts: one is the effect caused by additional pressure, and the other is the contract action by the “skin”.