盾構(gòu)刀具切削玻璃纖維筋的仿真研究

袁一翔

（上海城建隧道裝備有限公司，上海市 200238）

0 引言

隨著我國(guó)地下工程建設(shè)規(guī)模的不斷擴(kuò)大，在采用機(jī)械法進(jìn)行開(kāi)挖時(shí)，難免會(huì)遭遇特殊障礙物。近年來(lái)國(guó)內(nèi)多次成功完成了采用盾構(gòu)機(jī)械直接對(duì)鋼筋混凝土障礙物進(jìn)行破除[1-2]，但都不可避免地遇到了刀具損傷嚴(yán)重、刀盤(pán)卡死和鋼筋纏繞等問(wèn)題。為降低刀具損傷，提高切削效率，有學(xué)者提出可采用玻璃纖維筋替代內(nèi)部鋼筋[3-4]來(lái)有效緩解鋼筋纏繞的問(wèn)題。朱龍海等[5]采用偏性多軸頂管機(jī)對(duì)玻璃纖維筋混凝土進(jìn)行切削試驗(yàn)研究，發(fā)現(xiàn)玻璃纖維筋可被有效切削，但目前在切削玻璃纖維筋方面的研究成果尚不豐富。

本文研究立足于刀具切削玻璃纖維筋，通過(guò)數(shù)值模擬的手段模擬了不同參數(shù)影響下刀具切削玻璃纖維筋的過(guò)程。

1 有限元模型的建立

1.1 玻璃纖維筋失效準(zhǔn)則

本文利用ABAQUS 有限元分析軟件，根據(jù)盾構(gòu)刀具直接切削玻璃纖維筋的方式，采用Hashin 失效準(zhǔn)則作為玻璃纖維筋的失效準(zhǔn)則。

同時(shí)，還考慮了損傷失效之后的損傷演化過(guò)程。所以，在進(jìn)行有限元模擬時(shí)，采用ABAQUS/Explicit求解器，自定義纖維材料子程序VUAMTUMAT 接口，用Fortran 語(yǔ)言編寫(xiě)損傷失效和演化模型子程序。

1.2 三維模型和參數(shù)

玻璃纖維筋直徑22 mm，長(zhǎng)60 mm，將玻璃纖維筋模型中間長(zhǎng)30 mm 區(qū)域進(jìn)行分割。刀頭和玻璃纖維筋如圖1 所示，相關(guān)物理參數(shù)如表1 所示。

表1 物理參數(shù)

圖1 模型

2 切削參數(shù)的研究

2.1 切削深度的影響

為了探究切削深度對(duì)刀具切削力的影響規(guī)律，對(duì)最大切削深度分別為2 mm、4 mm、6 mm、8 mm 時(shí)盾構(gòu)刀具切削玻璃纖維筋的過(guò)程進(jìn)行了模擬。刀具刀頭錐度50°，刀尖弧度5 mm，切削速度140 mm/s，切削角度90°。圖2 為不同切削深度時(shí)玻璃纖維筋的切削效果圖。

圖2 不同切削深度時(shí)的效果

表2 對(duì)不同切削深度下刀具所受平均切向力、平均正壓力、平均切削力、最大切削力，以及切削力的標(biāo)準(zhǔn)差進(jìn)行了統(tǒng)計(jì)。其中，正壓力代表垂直于玻璃纖維筋切削面的方向受力，切向力代表刀具前進(jìn)方向受力，側(cè)向力代表刀具兩側(cè)方向受力。由于刀具所受側(cè)向力遠(yuǎn)小于正壓力和切向力，因此本文不考慮切削深度對(duì)刀具所受側(cè)向力的影響。平均切削力和最大切削力均以切向力和正壓力的合力為基準(zhǔn)進(jìn)行取值。

表2 不同切削深度時(shí)的受力統(tǒng)計(jì)

由表2 可知，當(dāng)切削深度由0～2 mm 增加到6～8 mm 時(shí)，刀具平均切向力由3.54 kN 增加到17.95 kN，刀具平均正壓力由7.11 kN 增加到13.64 kN，可見(jiàn)刀具平均切向力比平均正壓力變化顯著。對(duì)于圓柱狀的玻璃纖維筋，當(dāng)最大切削深度小于4 mm 時(shí)，由于切削面較小，刀具所受平均切向力小于平均正壓力；當(dāng)最大切削深度大于4 mm 時(shí)，切削面變大，刀具所受平均切向力大于平均正壓力。從表2 中也可發(fā)現(xiàn)，刀具平均切削力隨著切削深度的增加由8.05 kN增加到22.81 kN，可見(jiàn)平均切削力增加明顯。另外，切削力的標(biāo)準(zhǔn)差隨著切削深度的增加逐漸增大，當(dāng)最大切削深度小于4 mm 時(shí)，標(biāo)準(zhǔn)差小于5.42；當(dāng)最大切削深度大于4 mm 時(shí)，標(biāo)準(zhǔn)差大于10.23。因此，考慮玻璃纖維筋整個(gè)切削過(guò)程中刀具受力的穩(wěn)定性，建議刀具最大切削深度不要超過(guò)4 mm。

2.2 切削速度的影響

為了探究切削速度對(duì)刀具切削力的影響規(guī)律，本節(jié)對(duì)切削速度分別為39 mm/s、89 mm/s、140 mm/s、208 mm/s 時(shí)盾構(gòu)刀具切削玻璃纖維筋的過(guò)程進(jìn)行了模擬。刀具刀頭錐度50°，刀尖弧度5 mm，最大切削深度4 mm，切削角度90°。圖3 為不同切削速度時(shí)玻璃纖維筋的切削效果圖。

圖3 不同切削速度時(shí)的效果

由表3 可知，當(dāng)切削速度由39 mm/s 增加到208 mm/s時(shí)，刀具的平均切削力由11.30 kN 增加到12.49 kN。由此可見(jiàn)，切削速度對(duì)刀具切削力的影響不大，但切削速度的增加會(huì)使刀具切削力更不穩(wěn)定。

表3 不同切削速度時(shí)的受力統(tǒng)計(jì)

2.3 切削角度的影響

為了探究切削角度對(duì)刀具切削力的影響規(guī)律，本節(jié)對(duì)切削角度分別為50°、60°、70°、80°時(shí)盾構(gòu)刀具切削玻璃纖維筋的過(guò)程進(jìn)行了模擬。刀具刀頭錐度50°，刀尖弧度5 mm，最大切削深度4 mm，切削速度140 mm/s。圖4 為不同切削角度時(shí)玻璃纖維筋的切削效果圖。

圖4 不同切削角度時(shí)的效果

由表4 可見(jiàn)，當(dāng)切削角度為50°時(shí)，刀具切削力最大；切削角度為70°和80°時(shí)，刀具切削力和標(biāo)準(zhǔn)差相差不大。相比較切削角度70°和80°時(shí)刀具切削力的標(biāo)準(zhǔn)差，切削角度為50°和60°時(shí)的標(biāo)準(zhǔn)差比較大，此時(shí)切削力的波動(dòng)性較大。因此，建議刀具切削角度不要小于70°。綜合考慮，切削角度的增加，增大了刀具切削面，使得刀具切削力變大，且平均切向力大于平均正壓力。

表4 不同切削角度時(shí)的受力統(tǒng)計(jì)

2.4 刀尖弧度的影響

為了探究刀尖弧度對(duì)刀具切削力的影響規(guī)律，對(duì)刀尖弧度分別為2 mm、3.5 mm、5 mm 時(shí)盾構(gòu)刀具切削玻璃纖維筋的過(guò)程進(jìn)行了模擬。刀具刀頭錐度50°，最大切削深度3 mm，切削速度140 mm/s，切削角度90°。圖5 為不同刀尖弧度時(shí)玻璃纖維筋的切削效果圖。

圖5 不同刀尖弧度時(shí)的效果

由表5 可知，刀具平均切向力、平均正壓力、平均切削力均隨著刀尖弧度的增加而增加。其中，平均切向力由2.93 kN 增加到5.85 kN，平均正壓力由2.58 kN 增加到8.21 kN。因此，刀具平均正壓力比平均切向力增加較快。當(dāng)?shù)都饣《葹? mm 時(shí)，刀具平均切向力大于平均正壓力；當(dāng)?shù)都饣《却笥? mm時(shí)，刀具平均切向力小于平均正壓力。另外，刀尖弧度的增加也使刀具平均切削力的標(biāo)準(zhǔn)差有了一定程度的增長(zhǎng)，進(jìn)而使得刀具切削力變化相對(duì)不穩(wěn)定。綜合考慮，刀尖弧度的增加使得刀具與玻璃纖維筋的接觸面積變大，進(jìn)而增加了刀具切削面的寬度，從而使得刀具切削力變大。

表5 不同切削角度時(shí)的受力統(tǒng)計(jì)

3 結(jié)論

（1）切削深度增加時(shí)，刀具切削力和標(biāo)準(zhǔn)差出現(xiàn)上升。當(dāng)切削深度大于4 mm 時(shí)，切削力波動(dòng)性顯著增加，建議采用截齒切削玻璃纖維筋深度不超過(guò)4 mm。

（2）截齒刀具切削力和標(biāo)準(zhǔn)差隨著切削速度的增加而略有增加，但整體變化不明顯。

（3）截齒刀具切削力和標(biāo)準(zhǔn)差隨著切削角度的增加而變小。當(dāng)切削角度小于70°時(shí)，切削力的波動(dòng)程度（標(biāo)準(zhǔn)差）變化顯著，建議切削角度不要小于70°。

（4）刀具切削力和標(biāo)準(zhǔn)差隨著刀尖弧度的增加而增加。刀尖弧度為2 mm 時(shí)，刀具平均切向力大于平均正壓力；刀尖弧度大于2 mm 時(shí)，平均正壓力超過(guò)平均切向力。考慮刀具適用壽命，建議不要低于2 mm。