基于LS-DYNA近场动力学方法的TBM盘形滚刀破岩机理数值模拟研究

为解决TBM盘形滚刀破岩过程中切削力预测与损伤评估难题，研究人员采用LS-DYNA中的键基近场动力学（Peridynamics）方法，对科罗拉多红花岗岩开展线性切割机（LCM）试验数值模拟。研究实现了3.2-6.4 mm穿透深度下法向力（误差0.5-4%）与滚动力（误差8-14%）的高精度预测，并成功捕捉损伤区形貌，为优化岩石开挖工具设计提供了高效（1小时33分钟计算耗时）的仿真方法。

　　

在硬岩隧道掘进工程中，隧道掘进机（TBM）的盘形滚刀犹如"地质雕刻师"，其破岩效率直接决定工程进度与成本。然而，岩石在极端载荷下的破碎过程充满谜团——接触区压碎与张拉剥落的复杂博弈、裂纹动态扩展的不可预测性，使得传统实验方法难以捕捉微观损伤机制，而经典连续介质力学模型又难以处理这类非连续性问题。面对这些挑战，近场动力学（Peridynamics）这一革命性的非局部理论应运而生，它通过引入"键"（bond）的概念，让材料点在一定范围（称为"视域"δ）内相互作用，完美规避了传统方法对空间导数的依赖，成为模拟岩石断裂的利器。

研究人员选择科罗拉多矿业大学经典的线性切割机（LCM）试验作为研究对象，以科罗拉多红花岗岩为样本，借助LS-DYNA中创新的键基近场动力学框架，构建了包含20 cm切割路径的数值模型。该研究巧妙地将盘形滚刀简化为刚体（*MAT_RIGID），而岩石则采用弹性近场动力学材料（*MAT_ELASTIC_PERI）模拟，通过调整接触刚度折减因子进行参数校准。

关键技术方法
研究采用LS-DYNA的键基近场动力学模块，设置视域半径δ=3倍点间距，岩石密度2665 kg/m³、弹性模量70 GPa。通过LCM试验验证，模拟三种穿透深度（3.2/5.1/6.4 mm）下的切削过程，重点监测法向力、滚动力及损伤区演化。

Bond-Based peridynamics model in LS-DYNA
研究揭示了键基近场动力学的独特优势：通过*CONTACT_TIE_NODES_SURFACE定义刀具-岩石接触，无需预设裂纹路径即可自发模拟断裂。该模型成功复现了实验观察到的"V"形破碎坑和放射状裂纹系统。

LCM test
数值模型严格遵循科罗拉多矿业大学LCM试验参数，包括刀具直径324 mm、刀刃宽度19 mm。特别值得注意的是，模拟中采用的动态载荷步长（1×10^-7 s）确保了冲击载荷下数值稳定性。

Numerical simulation of LCM test
仿真结果显示，在6.4 mm最大穿透深度时，岩石内部形成明显的粉碎核（crushed zone）和径向裂纹群。通过*DATABASE_CROSS_SECTION输出的应力云图，清晰展现了刀具前缘的高压应力集中（>200 MPa）与侧向张应力区（<-50 MPa）的协同作用机制。

Results and discussion
力学校验数据令人振奋：3.2 mm穿透时法向力误差仅0.5%，而滚动力最大误差（14%）出现在5.1 mm工况。研究指出，误差主要源于模型未考虑刀具磨损导致的接触面积变化。计算效率方面，单工况93分钟完成（Intel Xeon 16核工作站），显著优于传统FEM模型。

Conclusions
该研究开创性地验证了LS-DYNA近场动力学在岩石切削模拟中的适用性。其建立的"视域半径-点间距3:1"准则，为同类研究提供了重要参考。更重要的是，模型捕捉到的"损伤带厚度与穿透深度呈线性关系"规律，为TBM刀具间距优化提供了理论依据。正如研究者强调的，这种方法未来可扩展至节理岩体等更复杂地质条件的模拟，推动智能掘进技术的发展。