[发明专利]基于梁-弹簧单元的静态TBM＆EPB刀具磨损反分析方法

权利要求书

1.基于梁-弹簧单元的静态TBMEPB刀具磨损反分析方法，其特征在于，包括以下步骤：

步骤A、构建梁-弹簧计算模型：所述梁-弹簧计算模型包括用以还原岩体的梁单元、用以还原岩体摩擦及粘结的弹簧单元，梁-弹簧计算模型的合理边界及相应的曲面弹簧、刀具削切应力的空间分布、简化后的削切应力值及其施加作用单元，将削切岩体的表面通过梁单元进行还原，同时将紧邻两层的岩体表面通过连接弹簧及层间弹簧相联系，以此模拟和还原岩体在削切过程中的剪切及变形；

弹簧单元包括用以连接同一岩层内梁单元的平行连接弹簧，用以连接不同岩体之间岩体梁单元的相互交叉的岩层间弹簧，弹簧单元均采用六刚度弹性连接，通过弹簧单元自身刚度的选择来模拟土体的摩擦与粘结；

步骤B、在梁-弹簧计算模型上施加曲面弹簧和合理边界，再将作用在岩体上的刀具削切应力施加在梁-弹簧计算模型上；

其中，梁-弹簧计算模型的合理边界为将刀具的切入面设定为无约束自由面，其余的五个面通过引入边界曲面弹簧的形式，实现该边界面与周围土体的相互作用，其中边界曲面弹簧的一端连接在上述五个边界面内各梁单元的节点上，而另一端则施加边界约束；

步骤C、梁-弹簧计算模型分析计算：基于有限元的非线性分析，计算得出岩层在刀具削切时所产生的应力、应变响应，并以此反分析刀具的磨损情况，具体通过以下方式实现：

通过MIDAS GTS NX中的非线性计算模块，对梁-弹簧计算模型在削切应力作用下的应力、应变及变形计算结果进行分析，并由此反分析刀具磨损形态及潜在崩刃位置及崩刃角度，即通过力的相互作用来判断刀具在承受反力作用下的薄弱位置，将计算结果中的最大计算应力与刀具自身材料的强度进行对比来判断是否会产生崩刃，而崩刃角度的确定则是与反力的方向相关。

2.根据权利要求1所述的基于梁-弹簧单元的静态TBMEPB刀具磨损反分析方法，其特征在于：所述步骤A中：

梁单元包括上层软岩体梁单元和下层硬岩体梁单元，梁单元采用弹性体本构，并采用双节点微元；

刀具削切应力的空间分布根据刀具入岩深度及刀刃曲率进行确定，削切应力通过对刀具刀刃上单位面积的合力求极限得到，根据刀具入岩深度确定削切应力在岩体表面的破岩接触面积即削切应力的施加区域边界，根据刀具转动方向及刀盘推力确定削切应力施加区域内，简化后的削切应力在垂向及切向的大小；

简化后的削切应力值及其施加作用单元，即为将削切应力简化换算为连续梁荷载并将其施加在岩体梁单元之上。