개별요소법을 이용한 암반강도 및 압입깊이별 디스크커터 최적간격산정 연구 :The optimum spacing of disc cutters considering rock strength and penetration depth using discrete element method

이상연

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자료유형: 학위논문

저자정보: 이상연 (인하대학교, 인하대학교 대학원)

지도교수: 송기일

발행연도: 2021

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이 논문의 연구 히스토리 (3)

2021

개별요소법을 이용한 암반강도 및 압입깊이별 디스크커터 최적간격산정 연구

이상연 토목공학과 2021.01 학위논문

2020

개별요소법을 이용한 17인치 디스크커터의 선형절삭시험 수치해석 및 성남편마암 지반에서의 최적 S/P비 산정

이상연 , 송기일 , 최창순 외 2명 대한토목학회 학술대회 2020.10 학술대회자료

암반강도 및 압입깊이에 따른 디스크커터의 최적간격 산정을 위한 개별요소법 기반 수치해석 연구

이상연 , 송기일 , 정주환 한국터널지하공간학회 논문집 2020.01 학술저널

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TBM의 설계 시 커터헤드는 TBM시공의 굴진성능에 직접적인 영향을 미치는 핵심설계요소이다. 커터헤드의 설계 중 디스크커터의 간격 및 압입깊이의 설계는 암반을 절삭하는 효율을 결정하게 되며, 이러한 디스크커터의 간격을 최적화하기 위해서는 실대형 선형절삭시험을 수행해야 한다고 알려져 있다. 그러나 실대형 실험의 경우 시간적, 경제적 비용이 많이 소모되며, 게이지영역의 경우 절삭 시험을 위한 시편을 제작하기가 쉽지 않으며, 시험장비의 부재로 시험을 제대로 수행하기 힘들다는 단점이 있다.
본 연구에서는 개별요소법 기반의 수치해석 연구를 통해 암반강도 및 압입깊이에 따른 S/P비 - 비에너지의 경향성을 분석하였고, 17인치 디스크커터의 최적간격의 범위를 도출하였다. 수치해석모델의 적정성을 검토하기 위하여 CSM 모델을 통해 계산된 디스크커터의 회전력과 수치해석를 통해 계산된 디스크커터의 회전력을 비교·검토하였다. 또한 디스크커터의 직경에 따른 최적간격의 변화를 확인하기 위해 14인치 디스크커터의 선형절삭시험해석을 수행하고 17인치의 해석결과와 비교하였다.
디스크커터에 작용되는 회전력은 CSM 모델의 이론식을 이용해 도출한 회전력과 수치해석결과가 유사한 경향을 보이는것으로 확인되었다. 50 ~ 200MPa의 암반강도의 해석결과, 디스크커터의 최적간격의 범위는 암반강도가 증가할수록 감소하는 경향을 보였으며, 최소 비에너지는 80~100 mm범위를 보이는 것으로 확인되었다. 이러한 결과는, 기존에 보고된 디스크커터의 최적 간격과 유사한 경향을 보이며, 본 연구결과로 산정된 디스크커터 간격을 밑받침한다. 또한 14인치 디스크커터와 17인치 디스크커터의 해석결과 최적간격의 범위가 유사하게 도출된 것을 확인할 수 있다.
마지막으로 게이지영역에 대한 최적절삭 조건을 규명하기 위한 수치해석을 진행하였다. 게이지커터는 일정한 각도로 증가하도록 배치하였으며, 게이지커터사이의 각도를 변수로 설정하였다. 게이지영역의 선형절삭시험 해석을 통해 게이지커터에 작용하는 회전력과 절삭된 부피를 측정하여 비에너지를 계산하였다. 이를 통해, 계산된 게이지커터들의 비에너지 평균과 게이지커터사이의 각도의 관계를 확인하기 위해 그래프를 작도하였다. 작도된 게이지커터사이의 각도 ? 게이지커터들의 평균 비에너지 그래프를 통해 게이지커터영역에서 최적절삭조건을 갖는 평균 각도는 9°로 확인되었다.

When designing TBM, the cutter head is a key design factor that directly affects the excavation performance of TBM construction. It is known that the design of the spacing and penetration depth of the disc cutter in the design of the cutter head determines the efficiency of rock cutting, and to optimize the spacing of the disc cutter, a real-large linear cutting test should be performed. However, in the case of a large-scale experiment, there is a disadvantage in that time and economic costs are consumed, and it is difficult to perform the cutting analysis of the gauge area.
In this study, the trend of S/P ratio-specific energy according to rock strength and penetration depth was analyzed through numerical analysis based on the discrete element method, and the range of the optimum spacing of the 17-inch disc cutter was derived. In order to ensure the reliability of the numerical analysis model, we compared and reviewed the rotational force of the disc cutter calculated through the CSM model and the numerical analysis. Furthermore, to check the effect of the diameter of the disc cutter on the optimal spacing, we perform a LCM analysis of the 14-inch disc cutter and compare it with 17-inch analysis results.
Numerical analysis of LCM test shows that the rolling force acting on the disc cutter in analysis model is similar to the tendency of the rolling force derived using the theoretical formula of the CSM model. As a result of numerical analysis for the rock strength of 50 to 200 MPa, the minimum energy was in the range of 80 to 100mm, and the optimal spacing of the disc cutter tended to decrease as the rock strength increased. This tends to coincide with the previously reported optimum spacing of the disc cutter, and underpinning the disc cutter spacing calculated as a result of this study. In addition, as a result of the analysis of the 14-inch disc cutter and the 17-inch disc cutter, it can be confirmed that the range of the optimum interval was similarly derived.
Finally, we conducted numerical analysis to the optimal cutting conditions for the gauge area. The gauge cutter is arranged to increase at a constant angle, and the angle between the gauge cutters is set as a variable. Specific energy was calculated by measuring the rolling force acting on the gauge cutters and the chip volume through the analysis of the cutting test of the gauge area. Through this, we plotted the graph to check the relationship between the mean of the specific energy of the calculated gauge cutters and the angle between the gauge cutters. The plotted graph (angle between gauge cutters ? average specific energy of gauge cutters) shows that the mean angle for optimal cutting conditions in the gauge cutter area is 9°.

제 1 장 서론 1
1.1 연구의 배경 및 목적 1
1.2 논문의 구성 3
제 2 장 문헌연구 4
2.1 디스크커터의 절삭 메커니즘 4
2.2 TBM 커터헤드 설계 방법 6
2.3 수치해석 기법 17
제 3 장 개별요소법 수치해석(DEM) 21
3.1 Particle Flow Code (PFC) 21
3.2 수치해석 및 CSM의 비교 및 분석 25
제 4 장 FACE 커터의 최적 간격 산정 30
4.1 암반강도 및 압입깊이 따른 최적간격 산정 33
4.2 디스크커터 직경에 따른 최적간격 산정 38
제 5 장 게이지커터 최적간격 산정기술 40
5.1 게이지커터 최적 간격산정 방법 41
5.2 해석 모델 및 해석 방법 42
5.3 게이지 커터 최적간격 해석결과 44
제 6 장 결론 46
참고문헌 47

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