應(yīng)力應(yīng)變轉(zhuǎn)換的TBM刀座焊縫三維裂紋擴展模型.pdf

1、在運用TBM進行隧道開挖的工程中，刀盤上的刀座是最常發(fā)生疲勞破壞的結(jié)構(gòu)，破壞形式多表現(xiàn)為沿焊縫的疲勞裂紋和刀座的過載變形，并最終導(dǎo)致刀座性能失效。刀座的失效會對滾刀的安裝精度和工作狀態(tài)造成影響，改變滾刀的受力特性，并加速滾刀的破壞，最終影響掘進效率。因此，針對刀座焊接疲勞壽命預(yù)測及其焊接結(jié)構(gòu)的改進具有重要的工程實際意義。
　　本文圍繞TBM刀座焊接疲勞壽命預(yù)測和焊接結(jié)構(gòu)改進的問題，進行了一系列研究。
　　(1)根據(jù)TBM刀盤

2、板厚超厚特點，基于平面應(yīng)力條件的小時間裂紋擴展模型不再適用，故引入塑性約束因子α來改變材料屈服應(yīng)力值，將內(nèi)部裂紋和沿板厚方向擴展的裂紋尖端平面應(yīng)力/應(yīng)變狀態(tài)的轉(zhuǎn)變進行等效。根據(jù)不同板厚試樣的裂紋擴展疲勞試驗，得到α與板厚t的關(guān)系方程:α=0.73t-0.943，提出了適用于大板厚的應(yīng)力/應(yīng)變轉(zhuǎn)換的小時間尺度三維約束裂紋擴展模型。另外，將焊接殘余應(yīng)力對焊縫區(qū)應(yīng)力特征的影響考慮在內(nèi)，對小時間裂紋擴展模型進一步改進，使其適用于焊縫裂紋擴展壽命

3、的預(yù)測。
　　(2)采用C(T)焊接試樣進行焊縫疲勞裂紋擴展壽命試驗，記錄了裂紋擴展長度a0與載荷循環(huán)次數(shù)N的關(guān)系數(shù)據(jù)，并運用修正后的壽命預(yù)測模型對C(T)試樣的焊縫疲勞裂紋擴展壽命進行預(yù)測，理論預(yù)測結(jié)果與疲勞試驗數(shù)據(jù)對比結(jié)果顯示，疲勞試驗結(jié)果處于理論預(yù)測壽命的0.5-2倍范圍內(nèi)，在工程中是可接受的，證明了壽命預(yù)測模型和方法的有效性。
　　(3)根據(jù)工程實例中TBM刀座的結(jié)構(gòu)和載荷特點，以及刀座正面焊縫常出現(xiàn)疲勞裂紋的情況，

4、對刀座正面焊縫形式進行改進，將角焊縫改為對接焊縫，為節(jié)省仿真計算成本，設(shè)計縮尺簡化模型代替現(xiàn)役刀座和新型刀座的結(jié)構(gòu)特點，對刀座縮尺簡化結(jié)構(gòu)的殘余應(yīng)力場進行仿真分析，對比兩種結(jié)構(gòu)的殘余應(yīng)力場，得出新型結(jié)構(gòu)的殘余應(yīng)力場對提高疲勞性能更有利。
　　(4)運用提出的壽命預(yù)測模型對刀座縮尺結(jié)構(gòu)的焊縫裂紋擴展壽命進行了預(yù)測。根據(jù)相似理論，反推得到工程實例刀座的焊縫裂紋擴展壽命，得到現(xiàn)役刀座焊接結(jié)構(gòu)的壽命為6.04km，新型刀座焊接結(jié)構(gòu)的壽命為