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[摘 要]以PRO/E、ANSYS/LS-DYNA12.1为分析工具，完成了盘形滚刀切削煤岩的仿真分析。在PRO/E中建立盘形滚刀与煤岩三维模型，然后将模型导入动力分析软件中，建立盘形滚刀切削煤岩数值模拟模型，在计算机中模拟盘形滚刀切削煤岩过程，对模拟结果进行后处理，得到盘形滚刀切削煤岩时盘形滚刀受到外力的情况，并对受力情况进行统计分析。
[关键词]掘进机；PRO/E；ANSYS；仿真分析
中图分类号：TM743 文献标识码：A 文章编号：1009-914X（2015）06-0366-01
0 引言
在TBM（Tunnel Boring Machine，隧道掘进机）施工中，盘形滚刀是主要的破岩刀具，工作时承受岩石强大的反作用力，是TBM的重要部件和主要易损件，并且盘形滚刀的破岩性能直接影响掘进机的性能和隧道开挖进度。研究滚刀破岩机理和滚刀切削载荷，对优化刀盘设计，提高掘进机的破岩能力和掘进速度，对整个TBM的施工性能预测意义重大。应用现有的受力预测经验公式计算盘形滚刀和岩石的相互作用力，准确性得不到保证。而在已有的计算TBM盘形滚刀受力的数值模拟分析成果中，所选的岩石材料模型又没有考虑围压或损伤的影响。因此本文通过选用一种能够有效考虑岩石损伤演化的岩石材料模型，来模拟盘形滚刀和岩石的相互作用，计算出更加符合实际情况的、具有更高准确性的刀具与岩石间的相互作用力，为刀盘设计提供依据。
1 几何模型及有限元模型的建立
1.1 盘形滚刀及煤岩的三维模型的建立
在PRO/E中，根据盘形滚刀的尺寸建立盘形滚刀的实体模型，并且在紧邻盘形滚刀的下方，建立一部分足够大的岩石的实体模型。由于实际的滚压过程是在无限大的岩石上进行的，而这里只选取一部分岩石进行模拟，所以可以在后面施加边界条件的时候给岩石的底面和侧面施加无反射边界条件来消除这种简化带来的影响。在PRO/E中建立的盘形滚刀切削岩石的实体几何模型如图1.1所示。
1.2 单元类型选择和材料参数设定
（1）单元类型的选择
煤岩和盘形滚刀均选用3D SOLID 164单元，该单元由8节点构成，用于三维实体，支持所有许可的非线性特性。
（2）材料参数的设定
本文研究中选用ANSYS/LS-DYNA12.1程序材料库中193号材料（MAT_DRUCKER_PRAGER）来模拟煤岩，各参数将按煤岩参数来进行设定。程序材料库中193号材料模型是适合于模拟岩土材料的一种弹塑性本构模型。这种材料本构模型反映了岩体的基本特性，简单实用，用于模拟煤岩等岩土类材料，可得到较为精确的结果。本文研究分析中各参数取值如表1.1所示。
在滚刀切削煤岩的过程中盘形滚刀的变形很小，将盘形滚刀假设为刚性体，选用材料库中的刚体材料本构模型，且用相同的材料参数，材料参数如表1所示。
1.3 网格的划分
盘形滚刀形状不规则，采用自由划分网格；煤岩采用映射方式划分网格。盘形滚刀划分为1956个单元，煤岩划分为17000个单元。
2 定义接触类型
本文研究的是滚刀切削煤岩破坏的过程，煤岩材料会因滚刀的切削而发生破坏，在软件中表现为煤岩单元的失效，采用面面接触算法中的侵蚀接触算法，即CONTACT_ERODING_ SURFACE_TO_SURFACE算法，此算法用于一个或两个表面的单元在接触时发生材料失效，接触依旧在剩余的单元中进行，对于滚刀切削煤岩的仿真问题是非常适合的。
3 煤岩破坏参数的设定
ANSYS/LS-DYNA12.1提供了关键字“MAT_ADD_EROSION”来实现数值模拟系统中特定单元的破坏失效。煤岩的抗压强度为140MPa，数值模拟系统中当某些部位煤岩因盘形滚刀上滚刀的切削作用使压力达到140MPa时，煤岩发生破坏，在模拟系统中表现为相应单元的失效。求解之前在K文件中添加“MAT_ADD_EROSION”关键字可以在数值模拟计算过程中对各单元所受剪应力和拉应力进行监测。当切削模拟过程中有限元单元间所受应力大于预设定值时该单元失效，失效单元将从计算模型中删除。当一个节点所有关联的单元全部失效后，该节点在有限元计算模型中被删除。
4 模拟结果处理和分析
完成盘形滚刀切削煤岩的模拟计算后，要详细了解所模拟的过程，需要对模拟结果进行后处理和分析数据。文中用LS-PREPOST后处理器对模拟结果进行后处理和分析。
对模拟结果进行后处理，得到盘形滚刀切削煤岩时盘形滚刀和各滚刀受到的外力随时间变化情况，不同角度工况盘形滚刀受到的各阻力统计值，如表2所示。
由表2所示，随着切割角度的增加，盘形滚刀受到的三向力及合外力均值下降，可见切割角度越小受到的外力越大。而且由切削的反力可以看出，盘形滚刀在压入岩石时，所受的外力较大，达到100kN左右；随着横切入岩石后，外力逐渐平稳，达到400N左右。
5 分析结论
通过滚刀切削煤岩的整个分析，可以得出岩石的应力值及盘形滚刀的三向力和合外力曲线，并得出以下结论：
（1）在滚刀切削煤岩的过程中，煤岩所受的应力值在40MPa左右；
（2）盘形滚刀在压入岩石时，所受的外力较大，达到100kN左右；滚刀横切入岩石后，外力逐渐平稳，达到400N左右；
（3）随着切割角度的增加，盘形滚刀受到的三向力及合外力均值下降，切割角度越小受到的外力越大。
参考文献
[1] 李军，刑俊文，覃文洁等编著.ADAMS实例教程北京：北京理工大学出版社， 2002.7.
[2] 郑建著.ADAMS虚拟样机技术入门与提高北京：机械工业出版社，2005.8.
[3] 王国强，张进平，马若丁等.虚拟样机技术及其在ADAMS上的实践 西安：西北工业大学出版社2002，3.
[4] 龚曙光，谢桂兰编著.ANSYS操作命令与参数化编程北京：北京机械工业出版社，2004.4.
[关键词]掘进机；PRO/E；ANSYS；仿真分析
中图分类号：TM743 文献标识码：A 文章编号：1009-914X（2015）06-0366-01
0 引言
在TBM（Tunnel Boring Machine，隧道掘进机）施工中，盘形滚刀是主要的破岩刀具，工作时承受岩石强大的反作用力，是TBM的重要部件和主要易损件，并且盘形滚刀的破岩性能直接影响掘进机的性能和隧道开挖进度。研究滚刀破岩机理和滚刀切削载荷，对优化刀盘设计，提高掘进机的破岩能力和掘进速度，对整个TBM的施工性能预测意义重大。应用现有的受力预测经验公式计算盘形滚刀和岩石的相互作用力，准确性得不到保证。而在已有的计算TBM盘形滚刀受力的数值模拟分析成果中，所选的岩石材料模型又没有考虑围压或损伤的影响。因此本文通过选用一种能够有效考虑岩石损伤演化的岩石材料模型，来模拟盘形滚刀和岩石的相互作用，计算出更加符合实际情况的、具有更高准确性的刀具与岩石间的相互作用力，为刀盘设计提供依据。
1 几何模型及有限元模型的建立
1.1 盘形滚刀及煤岩的三维模型的建立
在PRO/E中，根据盘形滚刀的尺寸建立盘形滚刀的实体模型，并且在紧邻盘形滚刀的下方，建立一部分足够大的岩石的实体模型。由于实际的滚压过程是在无限大的岩石上进行的，而这里只选取一部分岩石进行模拟，所以可以在后面施加边界条件的时候给岩石的底面和侧面施加无反射边界条件来消除这种简化带来的影响。在PRO/E中建立的盘形滚刀切削岩石的实体几何模型如图1.1所示。
1.2 单元类型选择和材料参数设定
（1）单元类型的选择
煤岩和盘形滚刀均选用3D SOLID 164单元，该单元由8节点构成，用于三维实体，支持所有许可的非线性特性。
（2）材料参数的设定
本文研究中选用ANSYS/LS-DYNA12.1程序材料库中193号材料（MAT_DRUCKER_PRAGER）来模拟煤岩，各参数将按煤岩参数来进行设定。程序材料库中193号材料模型是适合于模拟岩土材料的一种弹塑性本构模型。这种材料本构模型反映了岩体的基本特性，简单实用，用于模拟煤岩等岩土类材料，可得到较为精确的结果。本文研究分析中各参数取值如表1.1所示。
在滚刀切削煤岩的过程中盘形滚刀的变形很小，将盘形滚刀假设为刚性体，选用材料库中的刚体材料本构模型，且用相同的材料参数，材料参数如表1所示。
1.3 网格的划分
盘形滚刀形状不规则，采用自由划分网格；煤岩采用映射方式划分网格。盘形滚刀划分为1956个单元，煤岩划分为17000个单元。
2 定义接触类型
本文研究的是滚刀切削煤岩破坏的过程，煤岩材料会因滚刀的切削而发生破坏，在软件中表现为煤岩单元的失效，采用面面接触算法中的侵蚀接触算法，即CONTACT_ERODING_ SURFACE_TO_SURFACE算法，此算法用于一个或两个表面的单元在接触时发生材料失效，接触依旧在剩余的单元中进行，对于滚刀切削煤岩的仿真问题是非常适合的。
3 煤岩破坏参数的设定
ANSYS/LS-DYNA12.1提供了关键字“MAT_ADD_EROSION”来实现数值模拟系统中特定单元的破坏失效。煤岩的抗压强度为140MPa，数值模拟系统中当某些部位煤岩因盘形滚刀上滚刀的切削作用使压力达到140MPa时，煤岩发生破坏，在模拟系统中表现为相应单元的失效。求解之前在K文件中添加“MAT_ADD_EROSION”关键字可以在数值模拟计算过程中对各单元所受剪应力和拉应力进行监测。当切削模拟过程中有限元单元间所受应力大于预设定值时该单元失效，失效单元将从计算模型中删除。当一个节点所有关联的单元全部失效后，该节点在有限元计算模型中被删除。
4 模拟结果处理和分析
完成盘形滚刀切削煤岩的模拟计算后，要详细了解所模拟的过程，需要对模拟结果进行后处理和分析数据。文中用LS-PREPOST后处理器对模拟结果进行后处理和分析。
对模拟结果进行后处理，得到盘形滚刀切削煤岩时盘形滚刀和各滚刀受到的外力随时间变化情况，不同角度工况盘形滚刀受到的各阻力统计值，如表2所示。
由表2所示，随着切割角度的增加，盘形滚刀受到的三向力及合外力均值下降，可见切割角度越小受到的外力越大。而且由切削的反力可以看出，盘形滚刀在压入岩石时，所受的外力较大，达到100kN左右；随着横切入岩石后，外力逐渐平稳，达到400N左右。
5 分析结论
通过滚刀切削煤岩的整个分析，可以得出岩石的应力值及盘形滚刀的三向力和合外力曲线，并得出以下结论：
（1）在滚刀切削煤岩的过程中，煤岩所受的应力值在40MPa左右；
（2）盘形滚刀在压入岩石时，所受的外力较大，达到100kN左右；滚刀横切入岩石后，外力逐渐平稳，达到400N左右；
（3）随着切割角度的增加，盘形滚刀受到的三向力及合外力均值下降，切割角度越小受到的外力越大。
参考文献
[1] 李军，刑俊文，覃文洁等编著.ADAMS实例教程北京：北京理工大学出版社， 2002.7.
[2] 郑建著.ADAMS虚拟样机技术入门与提高北京：机械工业出版社，2005.8.
[3] 王国强，张进平，马若丁等.虚拟样机技术及其在ADAMS上的实践 西安：西北工业大学出版社2002，3.
[4] 龚曙光，谢桂兰编著.ANSYS操作命令与参数化编程北京：北京机械工业出版社，2004.4.