مدلسازی اثر کندشوندگی تیغه‌های برش TBM در هنگام نفود سنگ با استفاده از روش المان مرزی

نوع مقاله: مقاله پژوهشی

نویسندگان

1 دانشکده مهندسی معدن و متالورژی-دانشگاه یزد

2 دانشگاه آزاد

3 دانشگاه صنعتی امیرکبیر

چکیده

دستیابی به درون زمین، شامل مراحلی است که بی‏شک مرحله نفوذ یکی از ابتدایی‏ترین و مهم‏ترین آنها‏ست. وارد شدن تیغه های دیسکی TBMدر سنگ و ایجاد خرده‏هایی ازسنگ در ابعاد کوچک وبزرگ و نیز ایجاد ترک‏های داخلی در آن به­عنوان فرآیند نفوذ شناخته شده است. در این تحقیق از  علم مکانیک شکست خطی سنگ و معیار شکست تنش برشی ماکزیمم برای بررسی انتشار ترک و امتدادش تحت تیغه های دیسکی استفاده شده است.برای مدل‏سازی انتشار ترک‏ها تحت تیغه های برش TBMکنداز روش ناپیوستگی جابجایی که زیرمجموعه‏ای از روش المان مرزی است، استفاده شده است. در مدل‏سازی انجام شده، به منظور بالابردن دقت و کاهش مقدار خطا در محاسبهناپیوستگیجابجایی‏‏ها،درتمامیالمان‏‏هایمرزی از المان‏های مرتبه بالا (المان‏های کوادراتیک)و برای جلوگیری از خطای ناشی از سینگولاریتی تنش و جابجایی درنزدیکی نوک ترک از سه المان مخصوص نوک ترک، کمک گرفته شده است. از آنجائیکه تیغه‌های دیسکی در TBMبعد از مدتی فرسایش پیدا می‌کنند. به همین دلیل تاثیر کندشوندگی را بصورت عددی با نتایج آزمایشگاهی تست LCMمقایسه شده است. جهت مدل کند‌شوندگی از تیغه‌های صلب- ثابت (CCS با قطر 432mmو ضخامت 80mm)، استفاده شده است. به منظور تولید انحناء در نوک ترک  مدل ccs، 4 المان در نظر گرفته شده، که این انحنا موجب کاهش راندمان و افزایش انرژی ویژه مورد نیاز می شود.

کلیدواژه‌ها

موضوعات


عنوان مقاله [English]

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

نویسندگان [English]

  • Mohammad Fatehi Marji 1
  • Hadi Haeri 2
  • Kourosh Shahriar 3
  • Hamid Khanbavapour 2
1 Dept. of Mining and Metallurgy, yazd University
2 Azad University
3 Amirkabir University of Technology
چکیده [English]

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.

کلیدواژه‌ها [English]

  • The higher-order displacement discontinuity method
  • linear elasticity
  • Boundary element
  • Erosion
[1] Tan, X.C.,Kou, S.Q&Lindqvist, P.A (1998)Application of The DDM And Fracture Mechanics Model OnTheSimulation of Rock Breakage by Mechanical Tools, Engineering Geology, 49,277284

[2] Rostami, J., Ozdemir, L., 1993. A new model for performance prediction of hard rock TBMs. In: Proceedings, Rapid Excavation and Tunneling Conference (RETC), pp.793–809

[3] Acaroglu, O., Ozdemir, L., Asbury, B., 2008. A fuzzy logic model to predict specific energy requirement for TBM performance prediction. Tunn.Undergr. Space Technol. 23 (5), 600–608.

[4] Optimum spacing of TBM disc cutters: A numerical simulation usingthe three-dimensional dynamic fracturing method, Jung-Woo Cho, SeokwonJeon, Sang-Hwa Yu, Soo-Ho Chang Tunnelling and Underground Space Technology 25 (2010) 230–244

[5] Guo H., Aziz N. I., and Schmidt R. A., (1992)  ‘Rock Cutting Study Using Linear Elastic Fracture Mechanics’;  Engng. Fract. Mech., Vol. 41,  pp. 771-778.

[6] Scavia C. (1992) ‘A Numerical Technique for the Analysis of Cracks Subjected to Normal Compressive Stresses’ Int. j. Numer.  Meth.Engng., Vol. 33, pp. 929-942.

[7] Shen B. and Stephansson O.  (1994)  ‘Modification of the G-criterion for Crack Propagation Subjected to Compression’,  Engng. Fract. Mech., Vol. 47(2), pp. 177-189.

[8] Rosmanith H. P., (1983), Rock Fracture Mechanics, Springer Verlagwien, New York Applications, Elsevier, Netherlands.

[9] Aliabadi M. H., (1998), Fracture of Rocks, Computational Mechanics Publications, Southampton, U.K.

[10] Bobet A. (2001), 'A Hybridized Displacement Discontinuity Method for Mixed Mode I-II-III Loading', Int. J.Rock Mech. Min. Sci., Vol. 38, pp. 1121-1134.

[11] Shen B., Stephansson O., Rinne M., Lee H-S, Jing L., and Roshoff K., (2004) ‘A Fracture Propagation Code and Its Application to Nuclear Waste Disposal’, Int. J. Rock Mech. Min. Sci., Vol. 41,No 3. pp. 448-453.Mohammad FatehiMarji, et. al

[12] Marji M. F., Hosseinin_Nasab H., Kohsary A. H., (2006) 'On the Uses of Special Crack Tip Elements in Numerical Rock Fracture Mechanics', Int. j Solids and Structures Vol.43 pp. 1669-1692.

[13] Shen B. and Stephansson O.  (1994)  ‘Modification of the G-criterion for Crack Propagation Subjected to Compression’,  Engng. Fract. Mech., Vol. 47(2), pp. 177-189.

[14] Erdogam F., and Sih G. C. (1963) ‘On the Crack Extension in Plates Under Plane Loading and transverse Shear’;  J. Bas. Engng, Vol. 85, pp. 519-527.

[15] Ingraffea A. R., (1983) ‘Numerical Modeling of Fracture Propagation’; Rock Fracture Mechanics; Rossmanith H. P.(Ed.); Springer Verlagwien; New York, pp. 151-208.

[16] Stephansson O. (2002) ‘Recent Rock Fracture Mechanics Developments’; 1st Iranian Rock Mechanics Conference, pp. 675-698.

[17] Whittaker B. N., Singh R. N., and Sun G. (1992)  Rock Fracture Mechanics, Principles, Design and Applications, Elsevier, Netherlands.

[18] Erdogan F., and Sih G. C. (1963) ‘On the Crack Extension in Plates Under Plane Loading and transverse Shear’;  J. Bas. Engng, Vol. 85, pp. 519-527.

[19] Bobet A. (2001), 'A Hybridized Displacement Discontinuity Method for Mixed Mode I-II-III Loading',  Int. J. Rock Mech. Min. Sci., Vol. 38, pp. 1121-1134.

[20] Carpinteri A., and Yang G. (1997), 'Size effects in brittle specimen with microcrack interaction', Computers and Structures, 63, pp. 429-437.

[21] FatehiMarji, M.; Hosseini-nasab, H. and Kohsary, A. H., (2007), "A New Cubic Element Formulation of the Displacement Discontinuity Method using Three Special Crack Tip Elements for Crack Analysis", JP Journal ofSolids and Structures, Vol. 1, pp. 61-91

[22]  Marji M. F., and Dehghani E., (2010) Kinked Crack Analysis by A Hybridized Boundary Element/BoundaryCollocation Method', Int. j Solids and Structures Vol.47 pp. 922-933.