激光预钻孔模式下滚刀破岩有限元仿真分析.pdfVIP

机械

第55卷|第10期

总第612期

激光预钻孔模式下滚刀破岩有限元仿真分析

卢刘扬1,胡兴?,蒋鑫辰?,张

长魁？

1.中铁山河工程装备股份有限公司；2.湘潭大学机械工程与力学学院

摘要I激光辅助TBM盘型滚刀破岩的过程涉及到机械应力和热应力的耦合作用，因此过程比较复杂，目前缺少相

关的研究与仿真建模方法。针对此问题，对激光钻孔过程提出条件假设，基于该假设利用ABAQUS软件对激光钻孔

模型进行建模与简化，分析激光热源照射下岩石温度场分布和岩石破碎过程。基于预测获得的激光孔尺寸，进一步模

拟分析激光预钻孔条件下缩尺比例滚刀滚压破岩过程，并分析刀圈破岩过程，得到岩石破碎形貌和接触应力的变化

规律。仿真得到的规律表明，刀圈刃底的应力变化在滚压破岩过程中形成了周期性循环。

关键词：激光；钻孔；TBM；破岩；有限元分析

目前，地下空间工程的开发需求日益增长[1-2。全断面如：进行了不同激光孔数和功率下的试验，通过对比岩石

岩石隧道掘进机（以下简称TBM）,因具有较高的掘进效裂纹长度，得出了激光功率的增加与激光孔径、深度成正

率、可靠性等优势而被大量用于铁路隧道工程、水利工程比的结论；借助可产生圆形和椭圆形激光的破岩装置，

等各类地下工程建设项目。然而，现有TBM难以应用于通过试验对比分析得知，与圆形激光相比，椭圆激光切削

“三高（高围压、高岩石硬度和高石英含量）”等特殊地层。砂岩的效果更佳；基于试验所获研究成果，运用传热学

随着微波、高压水射流和激光等一系列新型破岩技术的理论，对相变历程中岩体热物理性能参数做出了简单建

相继问世[4-,利用上述破岩技术辅助TBM盘形滚刀(以模，并建立了激光辐射下岩体在固相、液相和气相三相转

下简称滚刀）进行高效破岩，有望克服TBM在极硬岩等变历程中温度场分析模型[10]。采用试验手段研究激光预钻

极端复杂地层下的性能瓶颈。其中，由于激光技术拥有高孔模式下滚刀的破岩过程，不仅耗时费力，而且无法实时

效率、非接触式等独特优势，在辅助滚刀破岩方面具有观测研究应力场等物理场量分布情况。目前，由于商业软

较大的潜力。件的功能限制，有关激光预钻孔模式下滚刀破岩有限元

学者们围绕激光钻孔过程开展了系列试验研究。例仿真建模的报道并不多见，

*基金项目：湖南省自然科学基金（2023J30589）；湖南省科技创新计划（2021RC2094）；湖南省教育厅优秀青年项目（22B0127）

作者简介：卢刘扬（1986一），男，湖南衡阳人，工程师，学士，研究方向：机电工程设备及液压设计。

张魁（通信作者）（1985一），男，湖南临湘人，副教授，博士，研究方向：隧道掘进机刀盘刀具设计制造理论研究。

2024·10工程机械103

设计·计算

DesignandCalculation

为此，本文通过建立的激光钻孔有限元仿真模型，研当激光照射岩石过程仅考虑热传导时，岩石在圆柱

究了激光热源照射下岩石试样表面温度场分布和岩石破坐标系下的热传导方程为：

碎过程，并基于预测获得的激光孔尺寸，进一步模拟分析21T2

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了激光预钻孔条件下缩尺比例滚刀滚压破岩过程。Pcat入22=0(1)