耙吸挖泥船耙齿土体切削力学分析和数值仿真

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1、申请上海交通大学硕士学位论文耙吸挖泥船耙齿土体切削力学分析和数值仿真硕士研究生：刘修成学号：1120109124导师：何炎平研究员指导老师：何炎平申请学位：工学硕士学科：船舶与海洋工程所在单位：船舶海洋工程与建筑学院答辩日期：2015年1月授予学位单位：上海交通大学上海交通大学船舶海洋与建筑工程学院2015年1月DissertationSubmittedtoShanghaiJiaoTongUniversityfortheDegreeofMasterMECHANICALANALYSISANDNUMERICALSIMULATIONO

2、FSOILCUTTINGBYDRAGHEADTEETHbyXiuchengLIUSupervisor:YanpingHEMajor:NavalArchitectureandOceanEngineeringShanghaiJiaoTongUniversitySchoolofNavalArchitecture,OceanandCivilEngineeringJan.2015摘要耙吸挖泥船耙齿土体切削力学分析和数值仿真摘要耙吸挖泥船因其具有作业时不碍航的优势，并能完成自航、吸挖、装运、吹填等疏浚全过程作业而得到广泛的应用，研究耙齿的土

3、体切削过程对提高耙头的挖掘效率必不可少。本文从力学模型和数值仿真这两个方面入手，对此过程进行了深入研究。首先，分析对比学者基于被动土压力理论所建立的不同三维土体切削力学模型，为数值仿真所得到的结果提供参照，然后针对传统的Lagrange描述土体单元在切削模拟中所出现的网格扭曲所导致的迭代不收敛问题，引入单元删除技术的Lagrange方法和ALE方法，选用考虑土壤粘塑性的MAT147材料模型，运用LS-DYNA的动态显式算法分别对单个耙齿土体切削过程进行模拟，分析了切削过程中土的破坏形态、单元应力分布和应变特征，以及切削力与切削深

4、度、切削速度之间的关系，指出了ALE方法在解决土体大变形与模拟土屑形态时的优势。随后进一步研究多耙齿的相互作用以及高压冲水预切削作用效果，以Godwin实验得到修正后土体侧边失效区的轮廓为基础，建立多耙齿以及存在预切削作用的力学模型，以单位破坏剖面上所需切削力的最小值为目标函数研究耙齿之间以及耙齿与冲水喷嘴的最优布置。最后运用ALE方法模拟多耙齿土体切削以及预切削作用效果，探讨了切削力随耙齿间距，槽型失效区与耙齿间距、相对位置变化的情况。关键字：耙吸挖泥船，土体切削，力学模型，数值仿真，ALE方法IABSTRACTMECHANI

5、CALANALYSISANDNUMERICALSIMULATIONOFSOILCUTTINGBYDRAGHEADTEETHABSTRACTTrailingsuctionhopperdredger(TSHD)hasbeenwidelyusedfortheadvantageofworkingwithouthinderingnavigation,anditcancompletethewholeprocessoperationincludingself-propelled,excavation,shipment,reclamation.

6、Itisessentialtostudysoilcuttingprocessforthesakeofimprovingtheefficiencyofdraghead.Inthispaper,theprocessisin-depthresearchedbythemethodsofmechanicalanalysisandnumericalsimulation.Firstly,three-dimensionalsoilcuttingmechanicalmodelsbasedonpassiveearthpressuretheoryar

7、eanalyzedandcomparedtoprovidereferenceforresultsobtainedinnumericalsimulationmethod.Astothelargedeformationofsoilelementsintheprocessofcutting,thetraditionalmethodwillcausetheiterationdivergence,sotheapproachesofLagrangewithelementdeletiontechniqueandarbitrarylagrang

8、ianeulerianareintroduced,combinedwithaMAT147materialconstitutivemodelwhichconsiderssoilviscoplasticcharacteristics,andtheprocessiss