某型土壓平衡式盾構機刀盤的力學分析與結構優(yōu)化.pdf

1、近年來，作為地下隧道的主要挖掘工具，盾構機正在我國鐵道、公路、地鐵工程的建設中發(fā)揮著難以替代的作用。由于盾構機的掘進效率在很大程度上受到其刀盤結構的影響，因此對各型盾構機的刀盤結構進行力學分析與優(yōu)化設計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機的刀盤結構為研究對象，通過對其在正常工況、最大推力工況以及靜啟動脫困工況下靜強度、剛度、疲勞強度、固有頻率等力學性能參數的分析，提出了針對其結構進行改進優(yōu)化的建議。

2、>　　本文首先應用ANSYS Workbench軟件分析了刀盤結構在正常工況下的力學性能。根據所得出的等效應力、總變形量與名義疲勞壽命云圖，判定出該型盾構機刀盤上靜強度與疲勞強度最弱的部位位于牛腿靠近面板背面的外角點位置，而其剛度相對較弱的部位則位于兩塊未開出渣口面板的外邊緣。
　　其次，針對現用刀盤存在的不足提出了改進設計方案。通過對改進后的刀盤結構進行分析，發(fā)現在刀盤開口率從35％變至37％的情況下，該刀盤強度最弱部位在正常工

3、況下的靜強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，在靜力學分析的基礎上對改進前后的刀盤進行了動力學分析，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。計算表明改進前后刀盤的低階固有頻率由原來的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，采用多目標優(yōu)化法對刀盤結構的主要尺寸進行了優(yōu)

4、化設計。通過以改進后刀盤的最大等效應力σl max、總變形量emax和刀盤質量m為目標函數，而以其面板上第二至第五環(huán)筋板的壁厚t2、t3、t4、t5和橢圓形牛腿內孔的半徑r為設計變量，在利用ANSYSWorkbench軟件中的Design Explorer模塊對刀盤尺寸進行優(yōu)化設計后，刀盤強度最弱部位在正常工況下的靜強度與名義疲勞壽命均可分別得到進一步的提升。
　　上述研究結果為蘭州地鐵掘進施工所用某型土壓平衡式盾構機刀盤結構的優(yōu)