某型土壓平衡式盾構(gòu)機(jī)刀盤的力學(xué)分析與結(jié)構(gòu)優(yōu)化.pdf

1、近年來(lái)，作為地下隧道的主要挖掘工具，盾構(gòu)機(jī)正在我國(guó)鐵道、公路、地鐵工程的建設(shè)中發(fā)揮著難以替代的作用。由于盾構(gòu)機(jī)的掘進(jìn)效率在很大程度上受到其刀盤結(jié)構(gòu)的影響，因此對(duì)各型盾構(gòu)機(jī)的刀盤結(jié)構(gòu)進(jìn)行力學(xué)分析與優(yōu)化設(shè)計(jì)就有著非常重要的意義。本文以蘭州地鐵線路施工所用某型土壓平衡式盾構(gòu)機(jī)的刀盤結(jié)構(gòu)為研究對(duì)象，通過對(duì)其在正常工況、最大推力工況以及靜啟動(dòng)脫困工況下靜強(qiáng)度、剛度、疲勞強(qiáng)度、固有頻率等力學(xué)性能參數(shù)的分析，提出了針對(duì)其結(jié)構(gòu)進(jìn)行改進(jìn)優(yōu)化的建議。

2、>　　本文首先應(yīng)用ANSYS Workbench軟件分析了刀盤結(jié)構(gòu)在正常工況下的力學(xué)性能。根據(jù)所得出的等效應(yīng)力、總變形量與名義疲勞壽命云圖，判定出該型盾構(gòu)機(jī)刀盤上靜強(qiáng)度與疲勞強(qiáng)度最弱的部位位于牛腿靠近面板背面的外角點(diǎn)位置，而其剛度相對(duì)較弱的部位則位于兩塊未開出渣口面板的外邊緣。
　　其次，針對(duì)現(xiàn)用刀盤存在的不足提出了改進(jìn)設(shè)計(jì)方案。通過對(duì)改進(jìn)后的刀盤結(jié)構(gòu)進(jìn)行分析，發(fā)現(xiàn)在刀盤開口率從35％變至37％的情況下，該刀盤強(qiáng)度最弱部位在正常工

3、況下的靜強(qiáng)度與名義疲勞壽命可分別提升37％與221％，而面板外邊緣處的變形量則可降低約15％。
　　第三，在靜力學(xué)分析的基礎(chǔ)上對(duì)改進(jìn)前后的刀盤進(jìn)行了動(dòng)力學(xué)分析，得到了刀盤的振型云圖、前六階固有頻率、幅值最大處的頻率以及最大幅值。計(jì)算表明改進(jìn)前后刀盤的低階固有頻率由原來(lái)的35.58 Hz增大至36.89 Hz，Z軸方向上的最大幅值由47.93 mm減小至46.05 mm。
　　最后，采用多目標(biāo)優(yōu)化法對(duì)刀盤結(jié)構(gòu)的主要尺寸進(jìn)行了優(yōu)

4、化設(shè)計(jì)。通過以改進(jìn)后刀盤的最大等效應(yīng)力σl max、總變形量emax和刀盤質(zhì)量m為目標(biāo)函數(shù)，而以其面板上第二至第五環(huán)筋板的壁厚t2、t3、t4、t5和橢圓形牛腿內(nèi)孔的半徑r為設(shè)計(jì)變量，在利用ANSYSWorkbench軟件中的Design Explorer模塊對(duì)刀盤尺寸進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)后，刀盤強(qiáng)度最弱部位在正常工況下的靜強(qiáng)度與名義疲勞壽命均可分別得到進(jìn)一步的提升。
　　上述研究結(jié)果為蘭州地鐵掘進(jìn)施工所用某型土壓平衡式盾構(gòu)機(jī)刀盤結(jié)構(gòu)的優(yōu)