Modern tunnel boring machines require large drilling forces, and need to be fastened in the tunnel to generate such forces. The fastening of tunnel boring machines is traditionally accomplished by means of hydraulic cylinders that fasten and position the machine prior to drilling, known as grippers. A problem encountered in this solution is that the hydraulics suffers from an undesirably low stiffness, which makes the mechanism sensitive to vibrations generated by the drilling. Replacing the hydraulics with some kind of mechanical force transfer mechanismis believed to reduce said sensitivity. The purpose of the thesis is to develop a new gripper concept, evaluate if it is possible to substitute any of the hydraulic actuators with a mechanical counterpart, and assess if a mechanical solution increases the vertical stiffness of the grippers. The CAD-models were created in PRO/Engineer Wildfire 4.0 and the FEM-analysis was conducted using ANSYS Workbench 14.0. The calculations were done using MATLAB R2012a. With an extensive pre-study conducted, a number of gripper concepts were generated and evaluated (using a Pugh´s matrix), and a suggestion of a mechanical force transfer mechanism was created using the information from the concept evaluation. The most suitable force transfer method turned out to be a jack screw mechanism, thanks to its high load carrying capacity and self-locking characteristics. The jack screw will be powered using a hydraulic motor, ashydraulic power is easily accessible on the tunnel boring machine. The analysis conducted points to a significant increase in vertical stiffness, but also to an added degree of complexity which might not be fully desirable. An analysis of the dynamic behavior of the system would also be necessary to fully understand the component interactions. / Moderna tunnelborrningsmaskiner fordrar höga borrkrafter, och behöver fixeras i tunnelgången för att generera dessa. Inspänningen av tunnelborrningsmaskiner görs traditionellt med hydrauliska cylindrar som fixerar och positionerar maskinen inför borrningen, så kallade gripprar. Ett problem med denna metod är att hydrauliken har en viss vekhet som gör konstruktionen känslig för de vibrationer som borrningen skapar, och som eventuellt tros kunna reduceras med en mekanisk lösning. Syftet med detta examensarbete är att ta fram ett nytt gripperkoncept och utreda om det är möjligt att ersätta någon del av hydrauliken med en mekanisk kraftöverföring, för att öka denvertikala styvheten hos mekanismen. CAD-modellerna av koncepten skapades i PRO/EngineerWildfire 4.0 och FEM-analysen gjordes i ANSYS Workbench 14.0. För beräkningarna användes MATLAB R2012a. Med en omfattande förstudie genomförd togs ett antal gripperkoncept fram och utvärderades (med hjälp av Pughs matris), och ett förslag på en mekanisk kraftöverföringsmekanism genererades. Den mest lämpliga kraftöverföringen visade sig vara en skruvdomkraftsanordning,tack vare dess höga lastkapacitet och självhämmande beteende. Mekanismen avses drivas av en hydraulisk motor, då det är en kraftkälla som är lättillgänglig på maskinen. Analysen pekar på att styvheten i konstruktionen kan ökas avsevärt med en mekanisk kraftöverföring, men en sådan tillför också en viss komplexitet till konstruktionen som kanske inte är önskvärd. En analys av det dynamiska beteendet hos konstruktionen är också nödvändig för att till fullo kunna förutse mekanismens beteende.

Uma implementação computacional baseada nos conceitos da mecânica do contato e no Método dos Elementos de Contorno é desenvolvida para simular a interação entre discos de corte e maciço rochosos. Simula-se o contato considerando-se inicialmente uma superfície potencial de contato que é atualizada durante um processo de carregamento incremental, podendo conter elementos separados, em contato sem deslizamento ou com deslizamento parcial. A cada passo do carregamento incremental estima-se a configuração do modelo e os dados obtidos neste passo serão utilizados como parâmetros no passo seguinte até que todo o carregamento esteja aplicado. O modelo em estudo consiste em dois discos de corte paralelos atuando sobre uma base sólida com característica elástica linear. São feitas duas simulações com os discos de corte. Na primeira delas, compara-se a penetração dos discos utilizando-se como parâmetro os valores calculados em uma análise por elementos finitos. No segundo caso, estuda-se a distribuição de tensões no maciço quando se altera o espaçamento entre os discos para um mesmo carregamento. Além desta análise, duas outras comparações são feitas utilizando como parâmetros soluções analíticas e numéricas de modelos clássicos da mecânica do contato. São estes: cilindro e pilar em base elástica. / A computational implementation based on contact mechanics and on the Boundary Element Method is developed in order to simulate the interaction between disc cutters and rock mass. The contact simulation considers initially a potential contact area which is updated during an incremental load process, in such way the surface can include elements in separation, stick or partial slip. At each incremental load step the configuration of the model shall be evaluated and the values computed at such step are used as parameter to the next load step until the end of the loading process. The investigated model consists in two parallel cutter discs on a flat elastic foundation. In the first simulation the penetration of the discs are studied and the results are compared against a finite element simulation. In the second simulation, the stress distribution in the rock mass is evaluated considering different spacing between the disc cutters by keeping the same load. In addition, two benchmark problems of contact mechanics, such as the cylinder and the flat punch on a elastic foundation, were modeled in order to validate the proposed algorithm. The obtained results were compared against analytical and numerical solutions.

Uma implementação computacional baseada nos conceitos da mecânica do contato e no Método dos Elementos de Contorno é desenvolvida para simular a interação entre discos de corte e maciço rochosos. Simula-se o contato considerando-se inicialmente uma superfície potencial de contato que é atualizada durante um processo de carregamento incremental, podendo conter elementos separados, em contato sem deslizamento ou com deslizamento parcial. A cada passo do carregamento incremental estima-se a configuração do modelo e os dados obtidos neste passo serão utilizados como parâmetros no passo seguinte até que todo o carregamento esteja aplicado. O modelo em estudo consiste em dois discos de corte paralelos atuando sobre uma base sólida com característica elástica linear. São feitas duas simulações com os discos de corte. Na primeira delas, compara-se a penetração dos discos utilizando-se como parâmetro os valores calculados em uma análise por elementos finitos. No segundo caso, estuda-se a distribuição de tensões no maciço quando se altera o espaçamento entre os discos para um mesmo carregamento. Além desta análise, duas outras comparações são feitas utilizando como parâmetros soluções analíticas e numéricas de modelos clássicos da mecânica do contato. São estes: cilindro e pilar em base elástica. / A computational implementation based on contact mechanics and on the Boundary Element Method is developed in order to simulate the interaction between disc cutters and rock mass. The contact simulation considers initially a potential contact area which is updated during an incremental load process, in such way the surface can include elements in separation, stick or partial slip. At each incremental load step the configuration of the model shall be evaluated and the values computed at such step are used as parameter to the next load step until the end of the loading process. The investigated model consists in two parallel cutter discs on a flat elastic foundation. In the first simulation the penetration of the discs are studied and the results are compared against a finite element simulation. In the second simulation, the stress distribution in the rock mass is evaluated considering different spacing between the disc cutters by keeping the same load. In addition, two benchmark problems of contact mechanics, such as the cylinder and the flat punch on a elastic foundation, were modeled in order to validate the proposed algorithm. The obtained results were compared against analytical and numerical solutions.