1.1研究背景

疏浚工程对社会和经济发展的作用举足轻重。尤其是在中国，对于这个拥有漫长海岸线和众多河流湖泊的国家来说，疏浚工程一直为港口和航道建设、江河湖泊治理、水利建设、环境保护疏浚、吹填造地等方面的发展提供着强有力的后盾和不可缺少的帮助。近几年来，随着我国国民经济快速发展、对外贸易需求有增无减，国内港口建设不断迎接着新的挑战，尤其是区域性重点港口的建设，为适应大型的港口货物吞吐能力的需求，各个港口相继新建、扩建大的泊位;随着港口的扩大，大型船舶靠港的需求也自然增多，因此对航道的扩建和加深显得十分紧迫。我国虽江河湖泊众多，但由于不合理开发，生态环境的破坏造成水土流失的情况十分严峻，江河泥沙淤积严重，对内河航运和水利防洪都产生了不利影响。由此，现阶段疏浚工程在各个领域的发展仍然任重而道远，疏浚应用范围将越来越广泛，因此也面临着越来越多的挑战和要求。

正是在疏浚工程广泛应用的背景下，疏浚介质也变得愈加复杂。传统疏浚介质相对单一，主要以泥沙为主，并发展出了各种不同工作原理的挖泥船。主要可以分为绞吸式挖泥船、抓斗式挖泥船、链斗式挖泥船、耙吸式挖泥船与铲斗式挖泥船五种。其中，绞吸式挖泥船是一种装备了绞刀头切削装置的挖泥船，可以用来挖掘几乎所有类型的土壤；工作时能一次性连续完成挖泥、运泥、卸泥等工作过程，是一种效率高、机动性强、成本较低的挖泥船，也是目前应用最广泛的一种挖泥船舶。绞吸挖泥船的施工原理是借助于桥架的重力作用，使绞刀压到疏浚土质，在驱动装置的作用下，绞刀刀片和切削齿对疏浚土质进行连续旋转切削，将土质绞松切碎，与水混合形成泥浆，通过泥泵产生的真空，将泥浆从绞刀吸泥口吸入，经排泥管线将疏浚土质输送到吹填区域或指定的卸泥区，实现绞吸挖泥船连续的挖泥、吸泥和排泥。绞刀设计之前对绞刀头载荷的正确估计很有必要，可 有效避免刀体工作时因过载而损坏。在系统的切削理论出 现之前，人们往往通过经验公式估算绞刀头的外载荷，但 是结果并不准确。

20世纪70年代，美国Esco公司和荷兰LMG公司设计第一代绞刀，虽然在当时疏浚业发挥重要作用，但随着对施工效率要求的不断提高和技术的进步，绞刀磨损严重、配件易损坏等故障开始暴露出来，80年代对第一代绞刀造型进行改进，推出第二代绞刀较好地解决了上述问题，能够满足各种不同的生产需求。1977年，荷兰的Breebst.B.V提出一种底盘式绞刀造型理念，该理念改进了传统绞刀的结构，减少了对水域的污染程度，并在同年诞生了第一艘自航绞吸式挖泥船。1986年比利时杨德鲁公司研制成功了“LeonardodaVinei”号自航绞吸挖泥船，总装机容量20250kW，计算机控制的自动化系统可使挖泥船操控达到最佳状态；十年后，挖泥船制造业巨人荷兰IHC公司建造的“Mashhour”号，总功率达到22795kW；2003年7月，IHC公司建造的自航绞吸式挖泥船“J.F.J.de.Nul”号总装机容量为27190kW，绞刀功率达到6000kW，水下泵为3800kW，总长124.4m，宽27.8m吃水6.5m，最大挖深35m，吸泥管直径1000mm。

1987 年 Miedema 对于二维 切削理论在水饱和沙中的应用进行了详细的描述，并给出了绞刀直刃切削力的确定方法，解释了这种模型的应用方法并将其应用到绞刀的切削力和扭矩分析。由于疏浚施工经常处于变动过程中，施工条件和环境随施工项目的不同而发生变化。通过对绞吸挖泥船施工效率的影响因素进行分析，可找到提高施工产量和降低能耗的方法。绞刀系统是绞吸式挖泥船的核心挖掘部件，也是重要的功率输出部件，绞刀系统主要由绞刀头、工作机构和驱动机构等组成。在疏浚作业中挖泥船的绞刀常出现易磨损、易掉落和低切削效率等工程问题，如何让绞刀高效可靠地工作一直是值得关注的技术问题。有多种因素影响绞刀的可靠性和高效性，其中关键因素有绞刀材料、切削受力和绞刀几何形状等。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：

1. 台车进关量

2. 绞刀横移速度

3. 绞刀转速

4. 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国内外研究现状

20 世纪 70 年代，代尔夫特大学才 开始基于水饱和沙的切削理论研究。1985 年Steeghs发表 了基于剪切带的循环变形理论，这个理论阐述了循环变形 率在比奥方程中的应用，同年 Miedema 利用平均变形率 作为剪切带的边界条件而不是将其作为比奥方程的一个条件，提出了二维切削理论。绞吸式挖泥船于1880年首先用于英国，至今已有100年历史。目前，英国大型绞吸式挖泥船挖深均在30米以上，绞刀功率已高达3600马力，泥泵功率已超过10000马力，总装机马力已达19000匹。绞吸式挖泥船的自动化程度越来越高。1972年日本建造的第八东开丸就已采用电子设备，它用24k的中心处理机带动移船装置和各种记录装置等外围设备，据称提高效率3-10%。

进入21世纪，随着人类环境保护意识的提高，环保理念的深入，保护生态环境平衡，走可持续发展的理念越来越被国内外所重视，环保型绞刀也越来越受到关注。世界上第一台环保型绞刀是意大利Pneuma公司设计，并于1969年投入使用，它的实质是对传统挖泥船绞刀进行改造，利用空压机对泥浆吸排达到减少泥浆扩散的目的。日本也于70年代通过改造气力泵挖泥船成功研制环保型绞刀^[2]。荷兰的HAM公司在第一代环保型绞刀的基础上，改进设计思路，于21世纪初成功设计出新一代环保型绞刀，提高了疏浚效率的同时还保证了一定的泥浆浓度。

2004年以前，国内仅有几艘2000m³/h以上的绞吸挖泥船，且基本依赖进口。2005年和2006年，我国自主设计建造了第一艘2500m³/h绞吸挖泥船——中交上航局“航绞2001”轮。这标志着我国自主设计建造绞吸船的能力大步提升，由原先的小型船进入了大型船阶段。2010年，随着亚洲第一、世界第三的4500m³/h自航绞吸挖泥船“天鲸号”的下水交付，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。但在绞刀设计方面，我国初期设计的绞刀大多参照国外类似产品，设计理念相比之下比较落后，产品也存在很多缺陷，例如绞刀结构单一难以适用于多种土质，施工过程中极易出现刀齿磨损、断裂、被杂质缠绕，吸泥嘴堵塞等不良状况。但随着时间的发展，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。

其中，上海交通大学船舶海洋与建筑工程学院的姚建伟，杨启基于绞刀几何模型、运动学模型和动力学模型对绞刀疏浚岩石时的 受力及其载荷波动性进行数值仿真。通过数值仿真切削功率和实际切削功率的对比进行了结果可靠性验证。利用 Matlab/VB 编制了研究绞刀受力以及载荷波动性的仿真系统。所得结果可为研发疏浚岩石关键设备提供参考依据；长江航道局机务处的凌良勇:针对绞吸式挖泥船绞刀的磨损快和挖掘效率低等实际工程问题，对挖泥船绞刀进行切削受力分 析，建立绞刀作用力计算模型，利用数值计算方法计算绞刀在不同切削角和包角条件下的作用力，得到了绞刀 的切削角、包角与其受力之间的影响关系，给出绞刀切削角和包角的优化理论值范围以及山东理工大学的王翰涛，鲁力群，王秀景和总结了国内外挖泥船绞刀结构形式、 驱动技术的现状和进展。针对具体疏浚工程特点，提出采用适于加工工艺、耐磨、可调环保型 绞刀，可明显提高绞刀工作性能等。

近年来，研究者们在原有绞刀的基础上，针对特定的工作环境研发出了许多新型绞刀，可分为派生型绞刀、环保绞刀和新型绞刀三大类。其中，派生型绞刀可分为：

1. 可逆式绞刀：能随横移方向的改变而自动改变切割方向并始终保持自下而上的方向切削。

2. 冲水式绞刀：冲水式绞刀不但可提高挖泥船的生产效率，降低电能30.7%，而且可提高泥浆浓度，消除绞刀内腔堵塞，可使挖泥船在平均泥浆浓度为32%的条件下工作，这是挖细砂和硬泥的有效方法。

3. 横轴斗轮式绞刀：为了避免自上而下的切土方法，能始终自下而上切土，挖泥均匀，对某些土质的生产效率比普通绞刀要高，更适用于浅水作业和挖掘水下矿藏。

目前的三类绞刀在一定的施工条件和工况各有优势，但仍存在一定的缺陷，针对不同土质应用不同种类的绞刀往往能提升挖泥效率，增加绞刀使用寿命

2.1基本内容

绞刀是绞吸式挖泥船工作中最重要的部件，绞吸式挖泥船施工过程中，准确确定绞刀施工过程中的功率及运行参数是保证绞吸式挖泥船的关键。本选题主要是以泥沙为例，进行仿真实验，得到切削力，分析不同的切削条件对泥沙切削的影响。

2.2研究目标

利用LIGGGHTS生成泥沙模型，使用Gmsh软件来建立切削刀具，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，对绞刀切削泥沙过程中的切削力，切削角度，工作功率以及磨损进行测定，得出兼顾效率和使用寿命的平衡点或区间。

2.3技术方案

1.熟悉LIGGGHTS和Gmsh软件使用的基本方法和主要用途。

2.学习论文，学会利用LIGGGHTS编写泥沙脚本，构建泥沙模型，利用Gmsh软件建立刀具模型，并完成网格划分。

3.利用已编写完成的模型，依次改变切削角度，切削速度和切削深度，得到不同的绞刀受力情况，效率及磨损率，记录实验数据。

4.对实验数据进行分析讨论，得出在泥沙切削条件下，绞刀高效工作的各种参数并记录。，得到不同因素对切削力的影响。

综上，具体技术方案如下图：

4、参考文献