مدلسازي اثر كندشوندگي تيغه هاي برش TBM در هنگام نفود سنگ با استفاده از روش المان مرزي

Modeling the bluntness of TBM disc cutters during rock indentation by the boundary element method

دستیابی به درون زمین، شامل مراحلی است كه بی‏شك مرحله نفوذ یكی از ابتدایی‏ترین و مهم‏ترین آنها‏ست. وارد شدن تیغه های دیسكی TBM در سنگ و ایجاد خرده‏هایی ازسنگ در ابعاد كوچك وبزرگ و نیز ایجاد ترك‏های داخلی در آن به¬عنوان فرآیند نفوذ شناخته شده است. در این تحقیق از علم مكانیك شكست خطی سنگ و معیار شكست تنش برشی ماكزیمم برای بررسی انتشار ترك و امتدادش تحت تیغه های دیسكی استفاده شده است.براي مدل‏سازی انتشار ترك‏ها تحت تیغه های برش TBM كنداز روش ناپیوستگی جابجایی كه زیرمجموعه‏ای از روش المان مرزی است، استفاده شده است. در مدل‏سازی انجام شده، به منظور بالابردن دقت و كاهش مقدار خطا در محاسبهناپيوستگيجابجايی‏‏ها،درتماميالمان‏‏هايمرزي از المان‏های مرتبه بالا (المان‏های كوادراتیك)و براي جلوگيري از خطاي ناشي از سينگولاريتي تنش و جابجايي درنزديكي نوك ترك از سه المان مخصوص نوك ترك، كمك گرفته شده است. از آنجائیكه تیغه‌های دیسكی در TBM بعد از مدتی فرسایش پیدا می‌كنند. به همین دلیل تاثیر كندشوندگي را بصورت عددی با نتایج آزمایشگاهی تست LCM مقایسه شده است. جهت مدل كند‌شوندگي از تیغه‌های صلب- ثابت (CCS با قطر 432mm و ضخامت 80mm)، استفاده شده است. به منظور تولید انحناء در نوك ترك مدل ccs، 4 المان در نظر گرفته شده، كه این انحنا موجب كاهش راندمان و افزایش انرژی ویژه مورد نیاز می شود.

Undoubtedly, one of the main accesses to the underground is indentation process. Indentation of TBM disc cutters into the rock are producing rock chips of small and big sizes and introducing the internal cracks in the rock. The present study focuses on the linear elastic fracture mechanics of rock and maximum shear stress criterion to investigate of crack propagation and its direction under disc cutters. Therefore, displacement discontinuity method, which is a subset of the boundary element method was used to model the crack propagation under blunted TBM disc cutters. In order to improve the accuracy and reduce errors in calculating displacement discontinuity in the Model, the higher-order elements (quadratic elements) to all boundary elements have been considered and also to prevent errors caused by stress and displacement singularity near the crack tip, three special crack tip elements, have been used. This method was used to determine the stress intensity factors (SIFs) in the rocks under single disc and twin discs of tunnel boring machine (TBM), whereas, disc cutters in the TBM will be eroded after a period of time. Therefore, the effect of blunting obtained numerically is compared with the values obtained from the laboratory results (linear cutting machine (LCM)) to verify the model. To simulate the bluntness model, we considered 4 small elements to generate the curvature of the cutter tip which reduces the computing efficiency and increases the required specific energy. To resolve this, we modeled a V-shaped cutter (constant cross section (CCS) - rigid disc cutters) of 432 mm in diameter and 80 mm in thickness.