CN110442981A - 一种盘形滚刀建模及旋转破岩数值模拟方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种盘形滚刀建模及旋转破岩数值模拟方法，包括以下步骤：步骤1：建立滚刀模型；步骤2：在PFC3D中建立岩样模型；步骤3：在PFC3D中调用滚刀模型，调整滚刀模型直至与岩样模型相切；步骤4：赋予三把滚刀模型破岩参数，使三把滚刀模型均绕岩样模型中心z轴方向进行旋转切割破岩，破岩过程中监测破岩力与岩样模型破坏体积，计算破岩比能；本发明为滚刀破岩提供了一种新的数值模拟方法，且计算结果准确、可靠；同时，本发明所述的一种盘形滚刀建模及旋转破岩数值模拟方法采用三把滚刀模型，沿岩样模型中心的Z轴方向进行旋转切割，更符合实际工程应用，为破岩工程提供了可靠的前端参考。

Description

一种盘形滚刀建模及旋转破岩数值模拟方法

技术领域

本发明涉及滚刀破岩领域，尤其涉及一种盘形滚刀建模及旋转破岩数值模拟方法。

背景技术

据中国市场调研在线网发布的2019-2023年中国隧道建设市场发展前景报告显示，中国对隧道建设的需求在不断增加；随着隧道建设需求的不断增加，一方面要求加快施工速度，确保在工期内顺利完工，另一方面要适应复杂的地质条件，因此全断面岩石隧道掘进机(tunnel boring machine，TBM)得到了广泛的应用。

TBM中刀盘的布置对掘进效率起着至关重要的作用，合理的刀盘布置会加快施工速度，减少施工成本；研究滚刀破岩有效的方法分为试验方法与数值模拟方法，试验方法成本高、耗时长，随着计算机技术和数值理论的发展，数值模拟方法在滚刀破岩研究中得到了大量应用。

发明内容

本发明的目的在于提供一种盘形滚刀建模及旋转破岩数值模拟方法，为滚刀破岩提供了一种新的数值模拟方法，进而为滚刀破岩工程提供了新的参考。

为了实现上述目的，本发明采用以下技术方案：

一种盘形滚刀建模及旋转破岩数值模拟方法，包括以下步骤：

步骤1：建立滚刀模型；

步骤2：在PFC3D中建立岩样模型；

步骤3：在PFC3D中调用步骤1建立的滚刀模型，并根据实际滚刀的刚性参数赋予滚刀模型刚体属性，调整滚刀模型直至与步骤2中的岩样模型相切；

步骤4：在PFC3D中将三把滚刀模型贯入岩样模型一定深度后，赋予三把滚刀模型破岩参数，使三把滚刀模型均绕岩样模型中心z轴方向进行旋转切割破岩，破岩过程中监测破岩力与岩样模型破坏体积，计算破岩比能；

其中，岩样模型中心z轴方向为被切割岩样模型表面的法向，即隧道轴线方向。

步骤1中所述的建立滚刀模型的方法为：

步骤1.1：根据实际滚刀的刃宽、刃角和尺寸在CAD中建立二维的滚刀的模型，并将CAD中建好的二维的滚刀的模型保存成.dxf格式；

步骤1.2：将.dxf格式的二维的滚刀的模型在犀牛软件中打开，进行旋转渲染；

步骤1.3：将步骤1.2中经旋转渲染处理后的二维的滚刀的模型保存为.stl格式。

步骤2中所述的在PFC3D中建立岩样模型的方法为：

步骤2.1：选择需进行数值模拟试验的岩样进行加工；

步骤2.2：对步骤2.1所述的加工后的岩样进行单轴压缩与巴西劈裂试验；

步骤2.3：利用步骤2.2的试验结果，获取岩样的物理力学参数、应力应变曲线和破裂模式；

步骤2.4：在PFC3D中建立与步骤2.3所述的物理力学参数、应力应变曲线和破裂模式一样的岩样初模，并对所述的岩样初模进行细观参数标定，得到细观参数标定后的岩样模型。

步骤2.4中所述的对所述的岩样初模进行细观参数标定，得到细观参数标定后的岩样模型的方法为：

步骤2.4.1：在PFC3D中对步骤2.4所述的岩样初模进行单轴压缩与巴西劈裂试验；

步骤2.4.2:在PFC3D中得到岩样初模的物理力学参数、应力应变曲线和破裂模式；

步骤2.4.3：结合步骤2.3所述的物理力学参数、应力应变曲线和破裂模式与步骤2.4.2所述的物理力学参数、应力应变曲线和破裂模式，得到岩样初模的细观参数；

步骤2.4.5：在PFC3D中将步骤2.4.3所述的细观参数赋予步骤2.4所述的岩样初模，得到岩样模型。

步骤4中计算破岩比能的方法为：

步骤4.1：赋予滚刀模型一个z方向的速度v_z，根据所需贯入度设定循环次数n，贯入度p与v_z、n有如下关系：

1.p＝v_z·n·n_ts；

式中：n_ts为PFC3D运行过程中时步；

步骤4.2：赋予滚刀模型绕z轴中心的公转，公转速度v_g根据实际工程需要设定，公转半径根据实际工程需要的切割半径设置；

步骤4.3：赋予滚刀模型自转，具体的，在PFC3D中根据时步不停更新滚刀模型的位置；根据滚刀模型的实时位置计算滚刀模型的x轴与y轴的速度大小；即：

x_v＝v_g cosθ；

y_v＝v_g sinθ；

式中:θ为滚刀公转速度矢量和x轴之间的夹角；v_g为滚刀模型绕z轴的公转速度；

步骤4.4：在破岩过程中监测每把滚刀的三向力与扭矩；

步骤4.5：破岩完成后监测破岩体积，并根据破岩力、破岩体积，计算破岩比能。

步骤4.2中所述赋予滚刀模型绕z轴中心的公转的方法为：

赋予滚刀模型绕z轴中心的公转运用PFC3D中的组合代码wall.rotation.center.z设置；公转速度v_g根据实际工程需要，运用PFC3D中的组合代码wall.spin.z进行设置。

步骤4.5中所述计算破岩比能的方法为：

式中：E为破岩比能；W为滚刀模型所做的功；V为岩样模型破碎的体积；F_v为滚刀模型的平均法向力；p为滚刀模型的贯入度；F_R为滚刀模型的平均滚动力；l为滚刀模型切削轨迹长度；N为岩样模型破碎颗粒的数目；v为组成岩样模型的单个颗粒的体积。本发明的有益效果：

本发明所述的一种盘形滚刀建模及旋转破岩数值模拟方法，为滚刀破岩提供了一种新的数值模拟方法，且计算结果准确、可靠；同时，本发明所述的一种盘形滚刀建模及旋转破岩数值模拟方法采用三把滚刀模型，沿岩样模型中心的Z轴方向进行旋转切割，更符合实际工程应用，为破岩工程提供了可靠的前端参考。

附图说明

为了更清楚地说明本发明具体实施方式或现有技术中的技术方案，下面将对具体实施方式或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图是本发明的一些实施方式，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1为本发明的方法流程图；

图2为本发明建立岩样模型的方法流程图；

图3为本发明计算破岩比能的方法流程图；

图4为本发明所述滚刀模型与岩样模型相切的结构示意图；

图5为本发明所述破坏后的岩样模型的示意图；

图6为本发明与龚秋明旋转切割试验方法的平均法向力对比示意图；

图7为本发明与龚秋明旋转切割试验方法的平均滚动力对比示意图；

图8为本发明与龚秋明旋转切割试验方法的破岩比能对比示意图。

具体实施方式

下面将结合附图对本发明的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

如图1所示：本发明所述的一种盘形滚刀建模及旋转破岩数值模拟方法，包括以下步骤：

步骤1：建立滚刀模型，具体采用以下方法：

步骤1.1：根据实际滚刀的刃宽、刃角和尺寸在CAD中建立二维的滚刀的模型，并将CAD中建好的二维的滚刀的模型保存成.dxf格式；

需要说明的是，由于滚刀沿刀轴是对称的，因此只需要建一半滚刀模型即可；

步骤1.2：将.dxf格式的二维的滚刀的模型在犀牛软件中打开，进行旋转渲染；

步骤1.3：将步骤1.2中经旋转渲染处理后的二维的滚刀的模型保存为.stl格式。

如图2所示：步骤2：在PFC3D中建立岩样模型，具体采用以下方法：

步骤2.1：选择需进行数值模拟试验的岩样进行加工；

步骤2.2：对步骤2.1所述的加工后的岩样进行单轴压缩与巴西劈裂试验；

步骤2.3：利用步骤2.2的试验结果，获取岩样的物理力学参数、应力应变曲线和破裂模式；

步骤2.4：在PFC3D中建立与步骤2.3所述的物理力学参数、应力应变曲线和破裂模式一样的岩样初模，并对所述的岩样初模进行细观参数标定，得到细观参数标定后的岩样模型；

步骤2.4.1：在PFC3D中对步骤2.4所述的岩样初模进行单轴压缩与巴西劈裂试验；

步骤2.4.2:在PFC3D中得到岩样初模的物理力学参数、应力应变曲线和破裂模式；

步骤2.4.3：结合步骤2.3所述的物理力学参数、应力应变曲线和破裂模式与步骤2.4.2所述的物理力学参数、应力应变曲线和破裂模式，得到岩样初模的细观参数；

步骤2.4.5：在PFC3D中将步骤2.4.3所述的细观参数赋予步骤2.4所述的岩样初模，得到岩样模型。

步骤3：在PFC3D中调用步骤1建立的滚刀模型，并根据实际滚刀的刚性参数赋予滚刀模型刚体属性，调整滚刀模型直至与步骤2中的岩样模型相切；

本发明中，以调用三把滚刀模型为例，并根据实际TBM的三把滚刀相对位置，将调用的三把滚刀模型设置在岩样模型上；由于实际工程运用中，不同滚刀破岩的轨迹是同心圆，因此三把滚刀模型应均匀设置在岩样模型中心为圆心的圆周上。

步骤4：在PFC3D中将三把滚刀模型贯入岩样模型一定深度后，赋予三把滚刀模型破岩参数，使三把滚刀模型均绕岩样模型中心z轴方向进行旋转切割破岩，破岩过程中监测破岩力与岩样模型破坏体积，计算破岩比能；破坏后岩样模型如图5；

其中，岩样模型中心z轴方向为被切割岩样模型表面的法向，即隧道轴线方向；

具体的，如图4所示：由于三把滚刀模型均匀设置在岩样模型中心为圆心的圆周上，且三把滚刀模型均绕岩样模型中心z轴方向进行旋转切割破岩，因此，三把滚刀模型在岩样模型上的切割轨迹相同，都是绕岩样模型中心为圆心的圆周，上述破岩方式与实际工程运用中的方式相同，仿真效果更好；

进一步的，如图3所示：赋予三把滚刀模型破岩参数的方法为：

步骤4.1：赋予滚刀模型一个z方向的速度v_z，根据所需贯入度设定循环次数n，贯入度p与v_z、n有如下关系：

p＝v_z·n·n_ts；

式中：n_ts为PFC3D运行过程中时步；

步骤4.2：赋予滚刀模型绕z轴中心的公转，公转速度v_g根据实际工程需要设定，公转半径根据实际工程需要的切割半径设置；具体的，赋予滚刀模型绕z轴中心的公转运用PFC3D中的组合代码wall.rotation.center.z设置；公转速度v_g根据实际工程需要，运用PFC3D中的组合代码wall.spin.z进行设置；

步骤4.3：赋予滚刀模型自转，具体的，在PFC3D中根据时步不停更新滚刀模型的位置；根据滚刀模型的实时位置计算滚刀模型的x轴与y轴的速度大小；即：

x_v＝v_g cosθ；

y_v＝v_g sinθ；

式中:θ为滚刀公转速度矢量和x轴之间的夹角；v_g为滚刀模型绕z轴的公转速度；

进一步的，破岩过程中监测破岩力与岩样模型破坏体积，计算破岩比能的方法为：

步骤4.4：在破岩过程中监测每把滚刀的三向力与扭矩；

步骤4.5：破岩完成后监测破岩体积，并根据破岩力、破岩体积，计算破岩比能

式中：E为破岩比能；W为滚刀模型所做的功；V为岩样模型破碎的体积；F_v为滚刀模型的平均法向力；p为滚刀模型的贯入度；F_R为滚刀模型的平均滚动力；l为滚刀模型切削轨迹长度；N为岩样模型破碎颗粒的数目；v为组成岩样模型的单个颗粒的体积。

将本发明所述的一种盘形滚刀建模及旋转破岩数值模拟方法与龚秋明旋转切割试验方法对比，对比时，上述两种方法的滚刀模型、岩样模型的大小、约束条件保持完全一致，对比结果如下表1所示：

表1：本发明所述的一种盘形滚刀建模及旋转破岩数值模拟方法与龚秋明旋转切割试验方法对比表

从表1可知，本发明所述的一种盘形滚刀建模及旋转破岩数值模拟方法与龚秋明旋转切割试验方法在平均法向力、平均滚动力、比能的最大相差依次为3.4％、4.63％、4.94％；为了更加直观对比，图6、图7、图8绘制了上述两种方法的计算结果的对比图；图中显示，两种方法获得的计算结果变化趋势是一致的；因此，由表格1及图6、图7、图8对比能够判断本发明所述的一种盘形滚刀建模及旋转破岩数值模拟方法是合理的。

本发明所述的一种盘形滚刀建模及旋转破岩数值模拟方法，为滚刀破岩提供了一种新的数值模拟方法，且计算结果准确、可靠；同时，本发明所述的一种盘形滚刀建模及旋转破岩数值模拟方法采用三把滚刀模型，沿岩样模型中心的Z轴方向进行旋转切割，更符合实际工程应用，为破岩工程提供了可靠的前端参考。

最后应说明的是：以上各实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述各实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分或者全部技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例技术方案的范围。

Claims (7)

1.一种盘形滚刀建模及旋转破岩数值模拟方法，其特征在于，包括以下步骤：

步骤1：建立滚刀模型；

步骤2：在PFC3D中建立岩样模型；

步骤3：在PFC3D中调用步骤1建立的滚刀模型，并根据实际滚刀的刚性参数赋予滚刀模型刚体属性，调整滚刀模型直至与步骤2中的岩样模型相切；

步骤4：在PFC3D中将三把滚刀模型贯入岩样模型一定深度后，赋予三把滚刀模型破岩参数，使三把滚刀模型均绕岩样模型中心z轴方向进行旋转切割破岩，破岩过程中监测破岩力与岩样模型破坏体积，计算破岩比能；

其中，岩样模型中心z轴方向为被切割岩样模型表面的法向，即隧道轴线方向。

2.根据权利要求1所述的一种盘形滚刀建模及旋转破岩数值模拟方法，其特征在于：

步骤1中所述的建立滚刀模型的方法为：

步骤1.1：根据实际滚刀的刃宽、刃角和尺寸在CAD中建立二维的滚刀的模型，并将CAD中建好的二维的滚刀的模型保存成.dxf格式；

步骤1.2：将.dxf格式的二维的滚刀的模型在犀牛软件中打开，进行旋转渲染；

步骤1.3：将步骤1.2中经旋转渲染处理后的二维的滚刀的模型保存为.stl格式。

3.据权利要求1所述的一种盘形滚刀建模及旋转破岩数值模拟方法，其特征在于：步骤2中所述的在PFC3D中建立岩样模型的方法为：

步骤2.1：选择需进行数值模拟试验的岩样进行加工；

步骤2.2：对步骤2.1所述的加工后的岩样进行单轴压缩与巴西劈裂试验；

步骤2.3：利用步骤2.2的试验结果，获取岩样的物理力学参数、应力应变曲线和破裂模式；

步骤2.4：在PFC3D中建立与步骤2.3所述的物理力学参数、应力应变曲线和破裂模式一样的岩样初模，并对所述的岩样初模进行细观参数标定，得到细观参数标定后的岩样模型。

4.据权利要求3所述的一种盘形滚刀建模及旋转破岩数值模拟方法，其特征在于：步骤2.4中所述的对所述的岩样初模进行细观参数标定，得到细观参数标定后的岩样模型的方法为：

步骤2.4.1：在PFC3D中对步骤2.4所述的岩样初模进行单轴压缩与巴西劈裂试验；

步骤2.4.2:在PFC3D中得到岩样初模的物理力学参数、应力应变曲线和破裂模式；

步骤2.4.3：结合步骤2.3所述的物理力学参数、应力应变曲线和破裂模式与步骤2.4.2所述的物理力学参数、应力应变曲线和破裂模式，得到岩样初模的细观参数；

步骤2.4.5：在PFC3D中将步骤2.4.3所述的细观参数赋予步骤2.4所述的岩样初模，得到岩样模型。

5.据权利要求1所述的一种盘形滚刀建模及旋转破岩数值模拟方法，其特征在于：步骤4中计算破岩比能的方法为：

步骤4.1：赋予滚刀模型一个z方向的速度v_z，根据所需贯入度设定循环次数n，贯入度p与v_z、n有如下关系：

1.p＝v_z·n·n_ts；

式中：n_ts为PFC3D运行过程中时步；

步骤4.2：赋予滚刀模型绕z轴中心的公转，公转速度v_g根据实际工程需要设定，公转半径根据实际工程需要的切割半径设置；

步骤4.3：赋予滚刀模型自转，具体的，在PFC3D中根据时步不停更新滚刀模型的位置；根据滚刀模型的实时位置计算滚刀模型的x轴与y轴的速度大小；即：

x_v＝v_gcosθ；

y_v＝v_gsinθ；

式中:θ为滚刀公转速度矢量和x轴之间的夹角；v_g为滚刀模型绕z轴的公转速度；

步骤4.4：在破岩过程中监测每把滚刀的三向力与扭矩；

步骤4.5：破岩完成后监测破岩体积，并根据破岩力、破岩体积，计算破岩比能。

6.据权利要求5所述的一种盘形滚刀建模及旋转破岩数值模拟方法，其特征在于：步骤4.2中所述赋予滚刀模型绕z轴中心的公转的方法为：

赋予滚刀模型绕z轴中心的公转运用PFC3D中的组合代码wall.rotation.center.z设置；公转速度v_g根据实际工程需要，运用PFC3D中的组合代码wall.spin.z进行设置。

7.据权利要求1所述的一种盘形滚刀建模及旋转破岩数值模拟方法，其特征在于：步骤4.5中所述计算破岩比能的方法为：

式中：E为破岩比能；W为滚刀模型所做的功；V为岩样模型破碎的体积；F_v为滚刀模型的平均法向力；p为滚刀模型的贯入度；F_R为滚刀模型的平均滚动力；l为滚刀模型切削轨迹长度；N为岩样模型破碎颗粒的数目；v为组成岩样模型的单个颗粒的体积。