一种采用GPGPU并行化的3D耦合多体动力学（MBD）-FDEM框架，用于模拟隧道掘进机（TBM）与地面的相互作用及其姿态行为

《TUNNELLING AND UNDERGROUND SPACE TECHNOLOGY》：A 3D coupled multibody dynamics (MBD)-FDEM framework with GPGPU parallelization for simulating TBM-ground interaction and orientation behavior

盾构机-地层耦合作用与姿态响应的3D MBD-FDEM耦合建模方法研究，提出基于多体动力学（MBD）模拟盾构机刚性部件运动与有限离散元法（FDEM）耦合的三维数值框架，通过分解刚体平动与旋转运动，结合GPU并行化算法提升计算效率，验证了该方法在软硬复合地层中的姿态预测潜力。

　　
本文提出了一种三维耦合多体动力学（MBD）与有限离散元法（FDEM）的数值框架，旨在精确模拟盾构机与周围岩土的相互作用过程及其姿态响应。研究聚焦于复杂地质条件下盾构机动态行为建模的核心挑战，通过融合离散元法对岩体破碎过程的捕捉能力与多体动力学对机械系统整体运动的高效模拟优势，构建了具有工程实用价值的新型分析方法。

在问题提出层面，现有研究存在双重局限性：理论模型基于理想化假设，难以反映真实岩土体非线性行为；纯数据驱动方法虽能预测姿态，却缺乏物理机制支撑且存在泛化能力不足的问题。针对连续介质方法（如FEM）在模拟岩体破碎和渐进损伤方面的不足，以及离散元方法（DEM）处理连续变形能力的欠缺，作者创新性地将离散元法拓展至三维应用场景，同时结合多体动力学系统建模技术，形成具有自更新反馈机制的分析体系。

方法架构方面，研究建立了双系统耦合模型：变形系统采用FDEM模拟岩体变形、破碎及接触行为，通过引入六节点 cohesive单元实现断裂过程显式追踪；刚性系统则运用MBD理论构建盾构机多组件动力学模型。特别设计的四步耦合流程包括：（1）岩体变形更新；（2）接触力场重构；（3）刚性体动力学求解；（4）姿态反馈修正。其中旋转运动采用四元数算法实现高效更新，有效解决了传统欧拉角法存在的万向节锁问题。

计算效率优化方面，研究创新性地提出GPU加速的混合并行架构。通过将计算单元划分为线程-块-网格三级结构，将接触力计算任务卸载至GPU显存，使核心计算时间缩短83%。实验表明，在保持计算精度的前提下，这种并行化方案使单次全周期仿真时间从传统CPU计算的72小时压缩至8.5小时，显著提升了工程应用的可行性。

验证体系构建了三个递进式实验场景：（1）滚动力学实验验证了刚性体运动解算的准确性；（2）直线切割实验重点考核离散元接触模型对岩体破碎的捕捉能力；（3）复合地层开挖实验则综合检验耦合框架对非均质地质体的适应能力。研究特别引入同步系数动态调节机制，在保证计算精度的前提下实现计算效率与结果的平衡优化。

工程应用价值体现在两个方面：首先，通过实时更新岩土接触边界条件，解决了传统"静态边界+元素删除"方法无法形成自反馈的问题，使模型能动态反映开挖扰动引起的地层应力重分布；其次，基于MBD建立的组件级动力学模型，可精确捕捉盾构机各部件（如刀盘、压梁、导向装置）的独立运动特性及其耦合效应，为开发基于物理的智能姿态控制系统提供了理论支撑。

未来研究方向主要集中在三个方面：①开发面向移动式施工装备的分布式计算架构，实现多TBM协同作业的实时模拟；②构建地质参数-机械响应映射数据库，提升复杂地层工况的预测精度；③探索数字孪生技术与物理模型的融合路径，推动盾构施工的智能决策系统发展。该成果为隧道施工中的地质风险预警和导向控制提供了新的技术范式，对深地开发装备的可靠性提升具有重要工程指导意义。