刀具与岩石相互作用的三维并行数值模拟与物理试验研究

刀具与岩石的相互作用理论不仅是全断面岩石掘进机研制的基础理论，也是对其施工掘进参数预测的基础理论。由于岩石与刀具相互作用的复杂性、岩石本身的非均匀性、破坏变形的非线性等特征，有关TBM刀具作用下的岩石破裂机制至今仍是一个争议性的问题。本项目基于岩石三维破坏理论，建立刀具与岩石相互作用的三维力学模型，研究刀具作用下的岩石破坏的细观损伤本构关系，运用并行计算方法，开发具有自主知识产权的针对刀具破岩过程研究的三维并行有限元模拟程序，实现多滚刀作用下的受力模型及岩石破碎过程的三维仿真模拟。本研究以三维数值模拟研究为主，结合TBM滚刀破岩的物理试验研究，通过研究滚刀间距对围岩三维应力场、三维裂纹扩展、贯入度、破岩量以及比能的影响，提出针对复杂结构围岩的刀间距优化方法，建立刀具受力与破岩效率预测模型，为提高我国刀具设计基础理论与TBM刀盘研发设计方法提供支持。

本项目基于岩石三维破坏理论，建立刀具与岩石的相互作用的接触力学模型、岩石破碎后的分离力学模型，采用最大拉应变准则、最大拉应力准则与摩尔-库仑剪应力强度准则，建立刀具与岩石相互作用的三维力学模型，研究刀具作用下的岩石破坏的细观损伤本构关系，运用并行计算方法，实现多滚刀作用下的受力模型及岩石破碎过程的二维与三维仿真模拟。结合TBM 滚刀破岩的物理试验研究，通过研究滚刀间距对围岩应力场、裂纹扩展、贯入度、破岩量以及比能的影响，提出了针对复杂结构围岩的刀间距优化方法。此外，还研究了节理间距和节理角度、不同应力波作用下的岩石动力破岩规律。通过物理实验和数值模拟的对比，从三维角度揭示刀具破岩机理，探讨了围压对岩体破碎特性的影响规律。刀头侵入岩体不断重复着加载—挤密—破坏的过程，刀头下部的核心区和损伤区不断扩大，最终导致裂纹形成、岩体破坏。围压不同，岩体中裂纹扩展模式不同，损伤分布区域不同。围压增大，跃进点载荷与刀头侵入量同时随之增大，而破岩角随之减小。通过建立了刀具受力与破岩效率预测模型，可以为提高刀具设计基础理论与刀盘研发设计方法提供支持。围绕本项目研究，在国内外学术期刊上发表学术论文14篇（其中录用论文4篇），SCI期刊论文5篇，EI期刊论文6篇。获得教育部自然科学二等奖1项、中国岩石力学与工程学会科技进步特等奖1项、辽宁省优秀教学成果奖一等奖1项。培养博士研究生1名、硕士研究生2名。研究成果已经通过科研转换形成了软件产品，在刀具破岩研究方面具有良好的应用前景。