摘 要

随着经济社会的发展，江河湖泊的生态环境也遭到了不同程度的破坏，出于对清淤通航，填海造地等的需求，疏浚工程地位日渐攀升。对于疏浚行业来说，绞吸式挖泥船是十分重要而高效的设备，挖泥船装备的各色绞刀是疏浚作业的关键部件。故对于绞刀的研究在疏浚工程中是非常重要的一环。

本文利用DEM模拟的方法研究绞刀在不同的切削角度和速度情况下表面所受的切削应力情况，通过仿真实验的方式模拟切削过程，节约大量的研究经费，提升了研究效率。主要实验流程为有：

（1）利用Gmsh软件画出刀具，选定刀具的材料，设置刀具的外型和各种参数，预设实验所需的刀具移动速度和角度。

（2）利用LIGGGHTS软件构建干沙颗粒模型，设置干沙土堆大小，利用生成的多球粒子构建沙堆模型。

（3）利用选定的hertzian模型，将刀具和沙粒模型导入，输入不同的参数，进行实验，得出结论。

关键词：绞吸式挖泥船；绞刀；DEM；切削应力分析

Abstract

With the development of economy and society, the ecological environment of rivers and lakes has been destroyed to varying degrees. Due to the demand for dredging, navigation, reclamation and other land-building, dredging projects are becoming more and more important. For dredging industry, cutter suction dredger is a very important and efficient equipment, and various cutters equipped by dredger are the pioneers and key components of dredging. Therefore, the study of cutter is very important and urgent in dredging engineering.

In this paper, DEM simulation method is used to study the cutting stress on the surface of cutter under different cutting angles and velocities. The cutting process is simulated by simulation experiment, which saves a lot of research funds and improves the research efficiency. The main experimental procedures are as follows:

（1）Using Gmsh software to draw the cutter, select the material of the cutter, set the shape and parameters of the cutter, and preset the moving speed and angle of the cutter needed in the experiment.

（2）Using LIGGGHTS software to construct dry sand particle model, set the size of dry sand pile, and use the generated multi-sphere particles to construct the sand pile model.

（3）Using the selected Hertzian model, the cutter and sand model are imported, and different parameters are input to carry out experiments and draw conclusions.

Key words: cutter suction dredger；cutter；DEM；cutting stress analysis

目 录

第1章 绪论 1

1.1 研究背景和意义 1

1.2 国内外研究历史和现状 3

1.2.1 绞吸式挖泥船研究历史 3

1.2.2 绞吸式挖泥船研究现状 3

1.3 模拟实验中所需的软件LIGGGHTS和Gmsh 4

1.3.1 LIGGGHTS软件简介 4

1.3.2 Gmsh软件简介 4

第2章 绞吸式挖泥船的绞刀特性及工作过程 6

2.1 绞吸挖泥船概述 6

2.2 绞吸挖泥船工作原理 7

2.3 绞刀的材料 9

2.4 绞刀的结构和分类 9

2.4.1 绞刀的结构 9

2.4.2 绞刀的分类 10

2.5 绞刀依据土质类型的选择 12

2.6 绞刀工作原理 12

2.7 本章小结 13

第3章 绞刀切削理论 14

3.1 绞刀切削理论发展 14

3.2 二维切削理论 14

3.3 绞刀切削过程分析 15

3.4 本章小结 16

第4章 沙粒切削特性实验及分析 17

4.1 沙粒切削特性实验简介 17

4.2 干沙切削特性实验模型的构建 17

4.2.1 绞刀模型构建 17

4.2.2 非球形粒子模型的建立 17

4.2.3 铁和沙粒的物理性质 18

4.2.4 Hertzian模型的选取 18

4.2.5 沙堆模型的建立 19

4.3 仿真实验的内容 19

4.3.1 不同切削角度条件下的仿真实验 19

4.3.2 不同切削速度条件下的仿真实验 19

4.4 仿真实验结果 20

4.4.1 不同切削速度条件下的实验结果及分析 20

4.4.2 不同切削角度条件下的实验结果及分析 20

4.5 本章小结 20

第5章 总结和展望 22

5.1 本文主要内容 22

5.2 展望 22

参考文献 23

致谢 24

第1章 绪论

1.1 研究背景和意义

疏浚工程对社会发展和经济繁荣的作用非常大。尤其是在中国，对于我们这个拥有众多江河湖泊和绵长海岸线的国家来说，疏浚工程一直为航道港口建设、江河湖海治理、环境保护疏浚、填海造地等方面的发展提供着不可缺少的帮助。近年来，随着我国经济高速发展蓬勃、外贸体量不断增大，国内航道及港口的建设每时每刻都要迎接新的机遇和挑战，尤其是建设重点大型港口，为满足港口航道承载货物吞吐的能力，国内港口准备设计、新建以及扩建较大的泊位，如图1.1是我国所有港口中集装箱吞吐量排名第一的上海港;各色船舶停靠出入各个港口和航道的需求随着港口规模不断增大而增大，由此港口航道的扩建加强必不可少。

图1.1 繁忙的上海港

我国虽湖泊众多，但是由于开发的不合理，生态环境不断被破坏导致了十分严重的水土流失（图1.2），大量淤泥沉积在江河湖泊的河床上，对防洪工作和航运工作都造成了十分不利的影响。据此，在当今中国，对疏浚工程的深入研究和大力发展十分艰巨且意义巨大。疏浚工程的应用将愈来愈频繁和常态，因此也面临着不断增多的要求和挑战^[1]。

图1.2 遭到破坏的河流

随着疏浚工程在各种河流地形的不断发展变化以及研究的深入，疏浚介质也越发复杂。就传统疏浚介质来说，以单一的泥沙为主，随后随着介质的复杂化，发展出了工作原理迥异的挖泥船。在今天，挖泥船的种类分为五种，分别是：抓斗式挖泥船、绞吸挖泥船、耙吸式挖泥船、链斗式挖泥船与铲斗式挖泥船。本文主要研究的是绞吸式挖泥船。各色绞刀被安装在绞吸挖泥船上,让其能高效的挖掘各种土壤，绞刀在设计之前需要对绞刀头载荷作出正确的估算，可有效避免刀体过载而破损毁坏的不良情况；绞吸挖泥船是一种效率很高、机动性很强、成本较低的挖泥船，同时也是在目前来说使用最广泛的挖泥船之一。在桥架的重力作用下，绞刀下降到土质表面,驱动装置再驱动绞刀旋转，令其对需要疏浚的土壤进行连续的切削，松土随之切碎，使已破碎的土壤与水混合成泥浆，再通过泥泵的作用将泥浆从吸泥口吸入排泥管，泥沙再被排泥管运输到指定的区域，从而实现了挖泥船挖、吸和排泥的一整套作业过程。

由于疏浚工程的特殊性质，施工场地经常会变动，同时施工环境和内容也随施工项目的不同而不同。研究绞吸式挖泥船的工况以及对影响船舶施工的因素进行分析，就可从中找到一个优解，从而解决挖掘效率提升，能源消耗降低等的问题。绞刀既是绞吸挖泥船最重要的用来挖掘的部件也是核心的输出做功的部件。绞刀系统主要由绞刀头、驱动系统和辅助系统等构成^[2]。在施工作业中，挖泥船的绞刀易磨损、易掉落，切削土壤效率低下问题频发，为了绞刀高效而稳定的工作，期间依然有很多技术难关需要突破。其中影响绞刀切削水平的关键因素有绞刀的外形、绞刀的材料和绞刀表面所受切削应力等。在施工过程中，准确确定绞刀功率和运行参数是保证挖泥船的关键，其指标主要有：台车进关量;绞刀横移速度;绞刀转速;挖泥厚度和挖深。

为了实现分析不同的切削条件对泥沙切削的影响，了解绞刀性能参数及增加绞刀使用寿命，需要仿真来模拟沙子切削实验，通过调整不同的切削条件（切削角度、切削速度及切削深度等）模拟泥沙切削过程，得到切削力，从而达到目的。

1.2 国内外研究历史和现状

1.2.1 绞吸式挖泥船研究历史

1880年，英国首先使用了绞吸式挖泥船。到了1972年，日本研发的第八东开丸号挖泥船首次在船上装备了电子设备，该船用中心处理机带动移船装置及各种记录装置，日本专家称可将施工效率3-10%。图1.3为当代典型绞吸挖泥船。

图1.3绞吸式挖泥船实图

DUT在上世纪七十年代开始研究水饱和沙的切削理论。在20世纪80年代，基于剪切带的循环变形理论被史蒂斯探索发现并公开于世，这个理论阐述了比奥方程中的循环变形率及有关应用，同年Miedema将平均变形率作为剪切带的边界条件顺利提出二维切削理论。

1.2.2 绞吸式挖泥船研究现状

绞吸式挖泥船的自动化程度日益增高。英国大型绞吸挖泥船挖泥深度都能达到在30米以上，泥泵功率达到10000马力，绞刀功率超出3600马力。在2004年以前，我国的绞吸挖泥船基本是依赖国外进口且排量偏小。到了2006年，我国疏浚行业科研人员自主研发了第一艘挖泥效率达到2500m³/h绞吸挖泥船—航绞2001轮。此船的下水起航昭示着我国自主研发绞吸式挖泥船的能力大幅提高，挖泥船造船水平由此进入了大型船的阶段。亚洲第一的自航绞吸挖泥船“天鲸号”在2010年成功扬帆启程，由此我国跨入了总装机功率20000kW以上超大型先进绞吸船设计建造的新阶段^[3]。如图1.4，2019年3月12日，亚洲最大的重型自航绞吸式挖泥船“天鲲号”完成通关手续，从江苏连云港开启首航之旅。

图1.4亚洲第一的重型自航绞吸船“天鲲号”

近年来，人类保护环境的意识不断提高，对环境保护的研究也越来越科学深入，国内外都越来越认可维持生态平衡，走可持续发展的理念，在疏浚行业，设计制造环保型绞刀也获得了更多关注。在第一代环保型绞刀的基础上，荷兰的汉姆公司改进思路，成功研制出新一代的环保型绞刀，不仅维持了高效的疏浚效率还保留了一定的泥浆浓度，有利于施工的进行。我国初期设计的绞刀多数都是仿造国外类似产品，自主研发水平较国外要低，自然产品也发现了很多缺陷，其中比较典型的就有绞刀的单一结构不适应多数土质，绞刀在工作时频现刀齿磨损、断裂、被杂质缠绕等不利的工况。但在科研人员不懈努力下，国内研究机构和相关企业逐步在绞刀设计方面取得一定成绩。

1.3 模拟实验中所需的软件LIGGGHTS和Gmsh

1.3.1 LIGGGHTS软件简介

LIGGGHTS是一个开源的软件，是一个 DEM软件，是由 LAMMPS软件衍生而来，可以利用 openfoam进行流体与颗粒的耦合。所谓DEM，全名叫Digital Elevation Model，是一种可将真实地形进行数字化模拟的仿真软件。

DEM是将地面地形在电脑上模拟，它在土壤、工、测绘、地貌、军事等各种不同的领域都起着方便研究进程和加速研究的速度等作用。如在工程研究上，可用作构建泥沙模型，为模拟切削实验提供可能性。

1.3.2 Gmsh软件简介

Gmsh可以看成一个自动的三维有限元网格建立装置。该软件自带计算机辅助设计系统以及后期处理器。 Gmsh 由 4 个单元构成，其中包括：网格化单元，Solver 单元，后处理单元，几何单元。

（1）网格化单元：有限单元网格化将模型细分。网格的生成与几何模型的创建一样是自下而上的。首先细分曲线，网格化的曲线被用于网格化曲面，网格化的曲面被用于网格化体。在这个过程中，网格化的实体仅仅被网格化的边界所限制，这样可以保证网格化的一致性。

（2）Solver 单元：用来处理传输控制协议，可修改参数，得到结果。

（3）后处理单元 ：在模型处理后期，进行矢量或标量的计算、提取、修改及输出等功能。

（4）几何单元：利用边界表示法秒回所需要的建立的几何模型的实体。利用有定义的点、曲线、面到体自下向上构建几何模型，可将所构建的几何模型通过参数坐标来表示。

第2章 绞吸式挖泥船的绞刀特性及工作过程

2.1 绞吸挖泥船概述

绞吸挖泥船是一种使用最为广泛的挖泥船，占据了疏浚行业的主要地位。绞吸挖泥船能在施工中连续独立完成切削、运输和处理破碎的泥浆等工作内容。如图2.1所示,各色不同的绞刀可被安装在绞吸挖泥船上，这不仅是绞吸式挖泥船鲜明的特点，更是绞吸式挖泥船最重要的核心。绞刀的一端被安装固定在绞刀架上另一端紧紧贴合安装了吸泥管。吸泥管的另一端无缝衔接离心泵,用于抽吸泥浆,泥浆被抽取之后通过离心泵后的排泥管排出。而在甲板上,船舶的左舷及右舷都布置了绞车用来横移绞刀架^[5]。用于定位的钢桩被设置在船体的尾部，这种用于定位的钢制桩可以控制绞吸挖泥船的纵向前行,通过定位桩台车的作用，定位桩能满足上下升降的要求。

图2.1 绞吸式挖泥船示意图

绞吸挖泥船基本结构如图2.2所示。当今世界上大半绞吸挖泥船都是非自航式的挖泥船,非自航式的特点是挖掘、运输和处理泥浆能在一个周期内完毕,还能进行连续工作。绞吸式挖泥船的优点众多，效率高、节省能源和经费,适合各种土壤,是当今使用范围最大的挖泥船种类。近年来，疏浚作业的范围不断向各种复杂环境拓展,施工中碰到恶劣环境和气候的几率也大大增加，已经严重降低了挖泥的效率。在前一段时间，世界上生产了许多大型的非自航式绞吸挖泥船 ,由于环境和气候的不适应而造成的停产对疏浚施工的影响也增大不少。为此，科研人员想出了许多办法，例如可以把绞吸挖泥船的结构优化，将其设计成有适合的干舷、令船首高度及稳定性都满足航海的日常需求,设计出的这种挖泥船可不断进行挖掘疏浚工作，除非遇到了像风暴和海啸等极端环境。现在建造完工的挖泥船具有十分巨大的能力上的差别。小型的绞吸挖泥船,其挖掘效率仅为40-80m³/h,最大挖深不超过十米。而大型自航式绞吸挖泥船,其挖掘效率己高达5500m³/h，最大挖深己达40m。绞吸挖泥船在世界范围内被相当广泛的使用,主要是由于绞吸式挖泥船的各项显而易见的优势：

（1）绞吸式挖泥船操作起来十分简单方便。挖泥船利用位于船艇的台车将钢铁制成的定位桩定位,再经过绞车的牵引拉伸,两厢来回横移搅碎切削泥沙物料,控制一定的合适摆角,可将正在被切削运动的泥沙杂质,通过离心泵和排泥管运输到堆积场。

（2）绞吸挖泥船产量大，效率高。目前大型的绞吸挖泥船具备强劲的动力，时均可将数千立方米的泥沙物料通过离心泵泵出送出数千米之外。

（3）大型绞吸挖泥船可设计为自航式，自航系统目前已发展成熟,航海过程中可以自由航行到预定位置。而中型挖泥船及小型挖泥船多数都为非自航式,完全依赖拖船前行。不过中小型的绞吸挖泥船可另辟蹊径，将其建成组装式船舶,通过其他方式运输到施工地点组装，然后投入使用。

（4）绞吸式挖泥船的适用范围和环境极其广阔，这是其他种类挖泥船所不能比拟的。绞吸式挖泥船能工作在各种不同类型的水域,填土造陆、疏浚航道、建造港口等都可适用。绞吸式挖泥船可装备大功率输出绞刀部件,选用合适的绞刀材质即可正常挖掘坚硬土质。

图2.2 绞吸式挖泥船结构示意图

2.2 绞吸挖泥船工作原理

绞吸式挖泥船的工作原理并不复杂。主要过程为，绞刀切削泥沙将其破碎，泥沙与水混合成为泥浆，泥浆被船上的离心泵抽入排泥管排出，一次作业就完成了。绞吸式挖泥船施工时，第一步是将绞刀架下放至水面下方，随之启动驱动绞刀系统的电动机和离心泵。然后继续下放绞刀架至施工平面。在确认绞刀架已达到预定高度时，绞刀便可开始切削土壤。此时，绞吸式挖泥船通过松动某舷的同时拉动另一舷来原地旋转。这种围绕绕定位桩的原地旋转被称作横移,呈圆弧状,如图2.3。每次横移能够挖掘土壤的深度由绞刀头的半径及土质决定。如果一次摆动横移未达到所需的深度，此时可以将绞刀架再次下沉，令其在更深处作业，为了增大力矩，反向绕定位桩旋转船舶即可^[4]。

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