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摘要
使用颗粒流离散元-有限差分混合模型对全断面隧道掘进机（TBM）盘形滚刀破岩过程进行了数值仿真研究，并针对工程实际中最常用的两种刃形的TBM滚刀，即平顶滚刀和圆顶滚刀，探究了滚刀截面形状（即刃形）对刀-岩接触损伤行为产生影响的机理和规律。结果表明：所采用模型对可能发生损伤破坏的岩石区域使用颗粒流离散元法进行建模，而远离滚刀-岩石接触区的岩体使用基于连续介质力学的有限差分模型进行建模，可以在不影响计算精度的前提下有效地降低滚刀破岩仿真耗时。圆顶滚刀与岩石之间的接触区域和应力集中范围较小，使得在相同的切削深度下，圆顶滚刀所需的切削力更低；但圆顶滚刀裂纹扩展能力相对较弱，导致产生的岩石碎片体积有所减小。基于切削力和破岩体积两个参数计算了比能，发现圆顶滚刀的比能较低，表明形成单位体积的岩石碎片时，圆顶滚刀所需的能量更少。开展缩比滚刀破岩实验对仿真结果的进行了定性验证。关于滚刀刃形对其破岩性能影响机理的研究可为TBM滚刀的研发和使用提供必要的理论基础和实际指导。
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单位西南交通大学; 中铁高新工业股份有限公司
