硬岩掘进机分体式刀盘的疲劳分析以及结构优化

发布时间：2020-04-24 06:16

【摘要】：分体式刀盘是TBM(Tunnel Boring Machine-TBM)的核心部件,刀盘与周围岩石边界直接作用,其工作质量和寿命对隧道的施工质量、效率有着重大的影响。本文为了提高分体刀盘分块之间结合面的力学精度,采用虚拟材料层建模方法。在此基础上通过workbench对分体刀盘进行疲劳分析并对刀盘结构受力薄弱环节进行参数化优化。本文的主要工作如下:(1)建立TBM分体式刀盘模型。根据铁建重工集团提供的工程图,在SolidWorks中建立分体刀盘的三维模型。为了适应后续仿真分析及结构优化的需要,将刀盘做了适当的简化。同时为了提高计算精度,采用虚拟材料建模模拟刀盘分体之间结合面的力学特性。(2)TBM刀盘受力分析。刀盘上布置了51把盘形滚刀,为了更精确得模拟刀盘真实的受力情况,本文依次介绍了盘形滚刀的结构、分组、破岩机理、运动学特性和力学特性,进而对滚刀进行受力分析。采用Rostami预测公式和CSM预测公式计算滚刀承受的载荷,并比较之后选择预测精度更高的CSM预测公式。为后续的静态力学分析、疲劳分析奠定基础。(3)TBM分体刀盘的疲劳分析。采用有限元分析法对刀盘进行静力学分析,在静力学分析结果的基础上进行疲劳分析,通过Workbench的疲劳分析模块得到刀盘的寿命云图、损伤云图、双轴指示云图和安全系数云图。分析了影响刀盘疲劳寿命的原因,为刀盘结构的优化提供了依据。(4)TBM分体刀盘结构优化。通过Workbench的优化模块以提高刀盘寿命和降低最大等效应力为目标,对TBM分体式刀盘的受力薄弱环节进行参数化优化。优化设计后最大等效应力减小了70.05MPa,减小了25.73%。最小寿命增加了2985.7次,提高了88.96%。同时灵敏度分析也确定了影响到盘寿命的最主要因素,为刀盘的改进设计提供了依据。
【图文】：

紧迫性以及在工程实践中 TBM 刀盘出现的实际问题，另外论述了在疲劳问题上国内外发展的形状，表明了刀盘疲劳研究重要性和研究价值。图1.2 分体式TBM刀盘

（2） 去除不起连接作用的螺栓孔、小筋板和小凸台等结构；（3） 刀盘分块建模成 5 个独立的结构。图2.1 分体式TBM刀盘在 SolidWorks 完成建模如图 2.1 所示，，刀盘主体由五部分组装而成。包括四个边块以及一个中心块，选用的材料为 Q345 材料钢，密度ρ为 7.8×103kg/m3；泊松比υ为 0.3；弹性模量 E 为 2.1×1011Pa。
【学位授予单位】：烟台大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2018
【分类号】：U455.31

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