基于FEM-SPH耦合的TBM滚刀切削仿真与试验研究

针对现有隧道掘进机(tunnel boring machine,TBM)滚刀切削过程有限元仿真难以复现密实核传力演化机制所致的"刀下超破、刀间欠破"问题,采用有限元方法(finite element method,FEM)和光滑粒子流体动力学(smooth particle hydrodynamics,SPH)相耦合的数值方法构建TBM双滚刀顺次回转切削的三维仿真模型,选用基于Rankine拉伸截断的摩尔-库伦(Mohr-Coulomb,M-C)弹塑性本构模型,通过模拟单轴压缩和巴西劈裂试验中试样损伤失效过程确立SPH粒子临界转化阈值,开展全尺度TBM刀盘掘进试验以验证所建仿真模型.进行多组仿真研究刀间距对切削效果、法向力、滚动力、比能的影响规律.仿真结果表明:所建仿真模型可直观复现密实核演化、侧向裂纹联通和刀间碴块飞溅等宏观物理现象;仿真与试验的滚刀平均法向力、滚动力相对误差分别为2.2％和11％,验证了仿真模型的可靠性;当刀间距在60～110 mm变化时,切削比能随刀间距增大呈先减小后增大的趋势,最优刀间距为90 mm.本研究所建仿真模型和所得研究结果可为TBM滚刀破岩研究提供新思路.