1．目的及意义

1.目的及意义

1.1研究背景

随着港口经济发展和停靠船舶尺度的增加，作为航道疏浚和港口建设的主要疏浚设备，绞吸挖泥船在近年得到了长足的发展。绞吸式挖泥船是一类广泛应用于航道疏浚、港湾建设、水域环保、围海造地及人工造岛等领域的工程船舶。由于很多港口都拟建在珊瑚礁和岩层海岸带上，而珊瑚礁和海底硬质岩石属于一种特殊的疏浚物质，因此岩石疏浚的问题也就变得越来越突出^[1]。针对疏浚对象从软质沙土到硬质岩石的不断变化，岩石疏浚越来越受到人们的重视，绞吸挖泥船的疏浚能力也得到了一定的发展。但是现阶段绞吸挖泥船绞刀头能够挖掘的岩石强度还比较低，切削载荷很难准确计算。在实际施工过程中，刀齿断裂和磨损现象仍然比较普遍。传统的水下岩石爆破技术不但生产成本高，生产效率低，而且对海底环境污染极大。而基于疏浚泥土理论所设计的挖泥船并不适用于疏浚强度很大的岩石。国内外绞吸挖泥船在疏浚岩石时，施工装备磨损和振动疲劳破坏的现象时有发生。

岩石是由固态矿物或矿物的混合物组成的具有一定结构构造的三相集合体，其基本骨架是离散岩石颗粒,所以岩石是一种典型的离散颗粒物质^[2]是组成地壳的物质之一，也是构成地球岩石圈的主要成分。工程中经常遇到与岩石力学特性相关的问题，比如边坡工程、油气田的开采工程等。岩石由诸多这种胶结颗粒依靠粒间胶结物的胶结作用胶结在一起构成。所以，在天然岩石中，有些颗粒直接接触，可将这种颗粒胶结视为无厚度胶结；有些颗粒之间的填充物质较多，可将这种颗粒胶结视为有厚度胶结。岩石是一种惯击系数较高的自然地址材料，绞吸式挖泥船施工过程中常发生绞刀切削岩石的恶劣工况，该工况对绞刀强度及所需功率有较高要求。因此需要对不同特性的岩石特性进行分析，保证绞吸式挖泥船切削岩石过程中处于高效稳定的施工状态。

1.2国内外研究现状

新世纪之初，前后这十年被国际疏浚界誉为 “黄金十年”^[3], 也是世界疏浚装备取得辉煌业绩的十年。新世纪之初 ,随着世界经济形势的进一步好转,疏浚界权威人士断言第二个“黄金十年”将伴之而来。有了第一个 “黄金十年 ”资金和经验的积累,这新一轮的发展决非十年前的简单重复，不论是发展规模还是技术内涵方面都将留下全新的印记。2008年, 世界性的金融危机虽然对疏浚市场带来一定的冲击, 但四大疏浚公司依然看好市场的发展前景。世界挖泥船虽然在向大型化方面发展,但世界 疏浚市场终究是中小型居多,中小型挖泥船依然是 主体。我国疏浚业经历了100多年的发展历史，从无到有，从小到大，如今已发展为较大规模的行业^[4]。疏浚业在港口、航道疏浚及治理、江河湖库治理、水利设施、国防工程建设、环境保护疏浚、吹填造地等方面发挥着越来越重要的作用。但我国的疏浚设备与国外相比还有一定差距，疏浚技术的理念和实施还相对落后。国内外对疏浚岩石理论和实践方面的研究极少，目前仅有的几家能够研发疏浚岩石关键设备的单位都没有公布其研究成果。这种形势下，迫切需要研究绞吸挖泥船岩石切削理论，并以此为基础研发新的岩石疏浚装备。进行疏浚岩石关键设备的自主创新和国产化，具有重要的工程实用价值。绞刀作为绞吸挖泥船施工过程的关键部件，对切削系统乃至施工效率都十分重要。何炎平^[5]探讨了自航绞吸式挖泥船设计过程中相对于非自航绞吸式挖泥船需要考虑的一些特殊问题, 这些问题有的是法规和规范对自航船的要求, 有的是为适应自航和充分发挥自航绞吸式挖泥船的优势而需要。总结了疏浚市场的发展方向,并在此基础上评估了挖泥船今后的发展趋势。金洋^[6]研究块体形状对岩石黏结颗粒模型（BPM）力学特性的影响，分别选取随机多边形块体和随机三角形块体建立了 Voronoi-BPM 和 Trigon-BPM 模型，进行了岩石的单轴压缩、单轴、拉伸和直剪数值试验。分别从破坏形式和宏-细观力学参数 2 个方面，分析了块体形状对岩石细观离散元模型力学特性的影响。罗荣，曾亚武等人^[7]发现：可以用岩石有限元模型细观参数的加权平均值表示其宏观力学参数。刘先珊，董存军^[8]建立了砂岩的三维胶结颗粒流数值模型。阐明了平行键控制砂岩受力结构的机理，建立了砂岩在特殊情况下破坏机理的科学依据。

目前，国内外学者针对绞刀的力学分析做了大量工作，特别是数值模拟方面。大部分采用有限元分析的方式，如：采用ANSYS 对绞刀结构强度进行分析，杨晨等人利用 ANSYS/LS-DYNA 建立有限元模型，模拟了绞刀切削土壤的动力学过程。近年来，越来越多的学者开始使用离散元对切削过程进行分析，如Helmons使用DEM-SP耦合计算的方式对不同水压下刀齿切削做了详细分析。为了进一步理解、探究疏浚过程中刀齿切削的微观机理，对离散元模型的细观参数进行校准、验证，从而提高仿真计算的准确性

岩石切削理论的研究从上世纪50年代开始，代表性的学者有BILGINN，GOKTAN RM^[16]等，他们都对单齿切削岩石的破碎力计算进行研究，但对绞吸挖泥船球锥形绞刀这种几十个刀齿同时作用的复杂切削过程的载荷计算方法的研究较少，目前国外岩石疏浚用绞刀设计公司（VostaLMG、ESCO、Ellicot）也没有公布其研究成果。因此迫切需要研究岩石切削过程的理论和方法，对实现疏浚核心设备和技术的自主创新和国产化，具有深远的工程应用价值。为了揭示岩石复杂的动态行为变化,必须从岩石内部颗粒细观形态出发进行研究. 1971 年,美国学者 Cundall^[17-18]提出了一种分析离散物质的不连续数值模拟方法——离散单元法(DEM) ,为岩石复杂的动态行为变化分析提供了全新的解决途径。离散单元法是根据离散物质本身的离散特性建立数值模型,将所分析的物体看作离散颗粒集合体,符合离散物质的性质。通过对物体中的每个颗粒作为一个单元建立模型并进行模拟，然后根据颗粒之间的接触，追踪物体中每个颗粒并对整个物体进行分析，这与连续机理方法中建立的物质模型相比,更加符合离散物质的实际情况。黏结颗粒模型（BPM）是离散元法模拟岩石细观结构最常用的方法。BPM将岩石材料视为颗粒集合体，颗粒集合体的宏观力学行为都通过颗粒间接触 状态的变化得以体现。该方法最大的优点是模型能沿着颗粒边缘随机破裂，不需要预设复杂的本构模型过度修正材料属性。

作者本次的任务是完成了对岩石的BPM模型设计和建模以及仿真结果分析，以颗粒半径不同的岩石为研究对象，运用EDEM在bonding仿真模型在其中搭建起来BPM模型改变模型中颗粒半径得到不同的模型一次进行室验，得到仿真结果进行分析。对岩石BPM的设计和建模以及性能分析，使作者彻底学习到了这个过程中的每一个过程，也让作者认识到了岩石颗粒半径对BPM模型的影响，同时培养笔者对工程软件和office办公软件的应用熟练程度，查阅文献能力以及在设计过程中各方面的协调能力都有所提高。{title}

2. 研究的基本内容与方案

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2．研究的基本内容、目标、拟采用的技术方案及措施

2.1基本内容