• 한국터널지하공간학회 논문집
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• 제10권1호
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• pp.81-90
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• 2008

TBM 장비에서 최적의 커터간격을 결정하는 것은 매우 중요하다. 실제로 이러한 최적 커터간격은 커터간격을 변화시켜가며 수 회의 선형절삭시험(LCM시험)을 수행하여 이를 통해 얻어진 절삭 비에너지를 비교함으로써 도출될 수 있다. 본 연구에서는 AUTODYN-3D를 이용하여 실제 선형절삭시험을 수행하지 아니하더라도 최적 커터간격을 예측할 수 있는 수치해석적 기법을 제시하였으며, 본 기법을 황등화강암에 적용하여 최적 커터간격을 예측하였다.

• 한국터널지하공간학회 논문집
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• 제22권5호
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• pp.501-513
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• 2020

TBM 터널굴착에서 실질적으로 지반을 굴착하는 역할을 하는 부분인 커터헤드 설계 시, 커터 관입깊이와 커터 간격을 달리하여 커터절삭 시험 시 최소 비에너지에서의 커터간격을 반영하고 있으나, 암반 조건에 따라서 동일한 커터 관입깊이에서의 최적 커터간격이 달라지기 때문에 최적 커터간격을 설정하는 연구가 활발히 진행되어야 한다. 이러한 비선형적인 커터 관입깊이와 커터 간격의 관계에서 커터 관입깊이에 따른 최적 커터간격을 예측하기 위해 머신러닝 기법인 의사결정나무 기반 랜덤 포레스트 회귀 모델과 SVM 회귀모델을 이용하여 커터 관입깊이에 따른 최적 커터 간격을 예측하였다. 랜덤 포레스트 분석기법은 SVM 분석기법보다 데이터 개수에 더 큰 영향을 받기 때문에 커터 관입깊이에 따른 최적 커터간격비의 예측에 SVM이 더 정확한 예측을 하였다. 데이터가 많이 축적되면 SVM 회귀모델이 보다 더 정확한 예측값으로 커터헤드 설계 시 커터간격을 설정하는데 효율적으로 사용될 수 있을 것으로 판단된다.

• 한국터널지하공간학회 논문집
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• 제22권4호
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• pp.383-399
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• 2020

디스크커터의 간격을 최적화하는 것은 TBM 커터헤드의 설계의 핵심요소로, TBM의 굴진성능을 좌우한다. 실대형 선형절삭시험은 디스크커터의 간격 산정을 위해 가장 신뢰성 및 정확도가 높은 시험으로 알려져 있으나 실대형 실험을 위해 경제적 및 시간적 비용이 소요되는 단점이 있다. 본 연구에서는 개별요소법 기반의 수치해석 연구를 통해 암반의 일축압축강도 및 압입깊이에 따른 비에너지-S/P비 간의 경향성을 분석하였고, 17인치 디스크커터의 최적 간격을 도출하였다. 수치해석모델의 적정성을 검토하기 위하여 디스크커터에 작용되는 회전력을 CSM 모델과 비교·검토하였다. 선형절삭시험에 대한 수치해석 결과, 디스크커터에 작용되는 회전력은 CSM 모델의 이론식으로부터 도출한 회전력과 유사한 것으로 분석되었다. 5가지(50 MPa, 70 MPa, 100 MPa, 150 MPa, 200 MPa)의 일축압축강도에 대한 수치해석 결과, 암반강도가 증가할수록 디스크커터의 최적간격의 범위는 감소하는 경향을 보였으며 80~100 mm범위에서 최소 비에너지를 보이는 것으로 확인되었다. 이는, 기존에 보고된 디스크커터의 최적 간격과 일치되는 경향으로써, 본 연구를 통해 산정된 디스크커터 간격을 밑받침한다.

• 터널과지하공간
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• 제13권6호
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• pp.444-454
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• 2003

최근 TBM등의 기계식 터널 굴착에 널리 사용되는 커터 디스크 관입에 의한 암석 파쇄 기술은 커터디스크 관입에 따라 국부적으로 높은 응력이 발생하고 미소균열이 생성 및 전파되는 과정이며, 이러한 현상은 암석의 불균질성에 기인한다. 따라서 본 연구에서는 수치해석적으로 TBM에 의한 파괴 메카니즘을 규명하기 위하여. Weibull 분포함수를 이용하여 암석의 불균질 강도 물성을 고려하였으며, 파괴후 물성 저하를 고려하기 위하여 저감지수를 도입하였다. 본 연구결과로부터 단일 커터 디스크 관입시 측압이 매우 중요한 영향을 미치며, 측압이 작을수록 관입에 저항하는 강도는 약하여 커터 디스크와 접촉하는 면과 수직한 방향으로 파괴가 잘 발생하고 측압이 클수록 암석 표면을 따라 chipping 현상이 잘 나타났다. 또한 두 개의 커터 디스크가 작용하는 경우 파괴영역이 전파되고 상호 연합되어 최종적으로 파괴가 발생하는데, 커터 디스크 간격이 70 mm인 경우가 40 mm와 100 mm인 경우 비해 좋은 파쇄효율을 나타내었다. 이상의 결과로부터 커터 디스크 관입에 의한 암석의 chipping 과정 및 메카니즘의 이해와 TBM 터널 설계를 위한 다양한 검토를 해석적 기법으로서 제시할 수 있을 것으로 기대된다.

• Geomechanics and Engineering
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• 제38권2호
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• pp.179-189
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• 2024

This paper presents a geomechanical framework for designing and optimizing layout patterns of cutterheads for rock Tunnel Boring Machines (TBMs), aiming to enhance their engineering performance. By examining the forces and moments exerted by rock, the study addresses geometric constraints associated with cutter boxes in key regions of the cutterhead, including the center, face, and gage areas, as well as the three-dimensional effects of cutterhead curvature on the geometric constraints of the back of the cutter boxes in the gage area. Novel formulas are proposed for determining the center points of cutter boxes and calculating both the minimum angular spacing and distance spacing between consecutive cutter boxes along a spiral path. The paper outlines an optimized layout design process for four cutterhead configurations: random, random paired, radial, and double spiral designs. Examples are provided to illustrate the results of applying these designs. The findings underscore the efficacy of the proposed methods in achieving a uniform and symmetrical distribution of cutters and buckets on the cutterhead surface. This approach effectively eliminates boundary overlap and minimizes unbalanced forces and moments. From a geomechanical standpoint, this framework offers a robust strategy for enhancing the performance and reliability of TBM cutterheads in rock tunneling operations.

• 한국터널지하공간학회 논문집
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• 제10권2호
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• pp.139-152
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• 2008

본 연구에서는 TBM 디스크 커터의 암석절삭에 관하여 기존의 LCM시험을 모사하기 위한 수치해석을 실시하였다. 수치모사를 위하여 3차원 동적 파괴해석이 가능한 상용 프로그램인 AUTODYN-3D를 선정하였으며, 이를 통하여 각기 다른 4가지 이상의 커터간격 조건에 대해 수치해석을 수행하였다. 상기 프로그램 상에서 디스크 커터와 암석 시편을 3차원 형상으로 모델링 한 후, 8개 암종에 대해서 수치적 절삭시험을 진행하였다. 그 결과, 수치해석과 LCM시험에서 도출된 최적 커터간격은 대체로 일치하여, 추후 LCM시험결과를 보완할 수 있을 것으로 판단되었다. 그러나 등방성 암석에는 적용성이 매우 높았던 반면, 절리가 존재하거나 이방성을 가지는 암석의 경우에는 LCM시험결과와 비교하여 비에너지가 다소 크게 산출되었다. 따라서 이방성 암석의 모델링에 대한 추가적인 연구가 수반되어야 할 것으로 판단된다.

• 터널과지하공간
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• 제23권1호
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• pp.54-65
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• 2013

선형절삭시험(Linear Cutting Machine)은 TBM(Tunnel Boring Machine)에서의 디스크 커터 설계와 굴진성능 예측을 위한 가장 신뢰성 있는 시험 중의 하나로서, 실대형 암석시료를 대상으로 실제의 커터 하중을 예측할 수 있는 장점을 갖고 있지만, 시료의 채취 및 운반이 용이하지 않고, 1회 시험에 많은 비용이 소요되는 단점을 갖고 있다. 최근 선형절삭시험이 갖는 이러한 경제적 시간적 제약점들을 극복할 수 있는 현실성 있는 수치모델의 개발에 관한 연구가 활발히 진행되고 있다. 본 연구에서는 3차원 입자결합모델을 이용하여 디스크 커터의 절삭에 의한 부산 응회암의 파쇄양상과 최적 커터간격을 도출하였다. 본 해석에서 분석된 비에너지는 $14.3MJ/m^3$ 일 때 최소값을 나타냈다. 이때의 최적의 s/p 비는 약 16 으로 분석되었으며, 부산응회암의 선형절삭시험 및 유한요소법에 의한 수치해석 연구결과와 유사한 경향을 나타냈다.

• Journal of Biosystems Engineering
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• 제35권6호
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• pp.373-379
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• 2010

This study was carried out to develop a belt pick-up type one-row soybean cutter, using physical properties and production conditions of soybeans. The prototype soybean cutter consisted of 4 parts: cutting part, conveying part, collecting part, and travelling part. The prototype soybean cutter was designed to cut soybeans planted with a row spacing of 600 mm, and at a height of 30 mm from the bed bottom using a disk saw. Through various trials with different peripheral velocities of the disk saw and forward speed of the cutter, determined ranges of the peripheral velocity of the disk saw cutting soybeans stems were greater than 18.3 m/s. Spacing between pick-up belts (clearance) was in a range of 60~90 mm so that soybeans could be picked at heights greater than 25 cm, and the size and shape of the pick-up belt were determined the conventional manual harvesting method. The optimal ratio between the forward speed of cutter and the peripheral speed of pick-up belts were from 1 to 1.2 by theoretical analysis. the pick-up belts had a $35^{\circ}$ of tilted angle and $90^{\circ}$ of twisted angle to pick up soybeans safely from the plant input to the lower end of the belts and convey soybeans to the upper end of belts nearby a container. The soybeans at the rear container were dropped down on the soybean row with an interval. The effective field capacity of the prototype soybean cutter was 0.136 ha/h, reducing the working hour by 92% when compared with the manual cutting.

• Geomechanics and Engineering
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• 제15권3호
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• pp.811-822
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• 2018

Chip size distribution can be used to evaluate the cutting efficiency and to characterize the cutting behavior of rock during cutting and fragmentation process. In this study, a series of linear cutting tests was performed to investigate the effect of cutting conditions (specifically cut spacing and penetration depth) on the production and size distribution of rock chips. Linyi sandstone from China was used in the linear cutting tests. After each run of linear cutting machine test, the rock chips were collected and their size distribution was analyzed using a sieving test and image processing. Image processing can rapidly and cost-effectively provide useful information of size distribution. Rosin-Rammer distribution pamameters, the coarseness index and the coefficients of uniformity and curvature were determined by image processing for different cutting conditions. The size of the rock chips was greatest at the optimum cut spacing, and the size distribution parameters were highly correlated with cutter forces and specific energy.

• Structural Engineering and Mechanics
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• 제83권4호
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• pp.495-513
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• 2022

This paper aims to study the fracture mechanism of rocks under the 'u'shape cutters considering the effects of crack (pre-existing crack) distances, crack spacing and crack inclination angles. The effects of loading rates on the rock fragmentation underneath these cutters have been also studied. For this purpose, nine experimental samples with dimensions of 5 cm×10 cm×10 cm consisting of the non-persistent cracks were prepared. The first three specimens' sets had one non-persistent crack (pre-existing crack) with a length of 2 cm and angularity of 0°, 45°, and 90°. The spacing between the crack and the "u" shape cutter was 2 cm. The second three specimens" set had one non-persistent crack with a length of 2 cm and angularity of 0°, 45°, and 90° but the spacing between pre-existing crack and the "u" shape cutter was 4 cm. The third three specimens'set has two non-persistent cracks with lengths of 2 cm and angularity of 0°, 45° and 90°. The spacing between the upper crack and the "u" shape cutter was 2 cm and the spacing between the lower crack and the upper crack was 2 cm. The samples were tested under a loading rate of 0.005 mm/s. concurrent with the experimental investigation. The numerical simulations were performed on the modeled samples with non-persistent cracks using PFC2D. These models were tested under three different loading rates of 0.005 mm/s, 0.01 mm/sec and 0.02 mm/sec. These results show that the crack number, crack spacing, crack angularity, and loading rate has important effects on the crack growth mechanism in the rocks underneath the "u" shape cutters. In addition, the failure modes and the fracture patterns in the experimental tests and numerical simulations are similar to one another showing the validity and accuracy of the current study.