某型土压平衡式盾构机刀盘的力学分析与结构优化

摘要

近年来，作为地下隧道的主要挖掘工具，盾构机正在我国铁道、公路、地铁工程的建设中发挥着难以替代的作用。由于盾构机的掘进效率在很大程度上受到其刀盘结构的影响，因此对各型盾构机的刀盘结构进行力学分析与优化设计就有着非常重要的意义。本文以兰州地铁线路施工所用某型土压平衡式盾构机的刀盘结构为研究对象，通过对其在正常工况、最大推力工况以及静启动脱困工况下静强度、刚度、疲劳强度、固有频率等力学性能参数的分析，提出了针对其结构进行改进优化的建议。　　本文首先应用ANSYS Workbench软件分析了刀盘结构在正常工况下的力学性能。根据所得出的等效应力、总变形量与名义疲劳寿命云图，判定出该型盾构机刀盘上静强度与疲劳强度最弱的部位位于牛腿靠近面板背面的外角点位置，而其刚度相对较弱的部位则位于两块未开出渣口面板的外边缘。　　其次，针对现用刀盘存在的不足提出了改进设计方案。通过对改进后的刀盘结构进行分析，发现在刀盘开口率从35％变至37％的情况下，该刀盘强度最弱部位在正常工况下的静强度与名义疲劳寿命可分别提升37％与221％，而面板外边缘处的变形量则可降低约15％。　　第三，在静力学分析的基础上对改进前后的刀盘进行了动力学分析，得到了刀盘的振型云图、前六阶固有频率、幅值最大处的频率以及最大幅值。计算表明改进前后刀盘的低阶固有频率由原来的35.58 Hz增大至36.89 Hz，Z轴方向上的最大幅值由47.93 mm减小至46.05 mm。　　最后，采用多目标优化法对刀盘结构的主要尺寸进行了优化设计。通过以改进后刀盘的最大等效应力σl max、总变形量emax和刀盘质量m为目标函数，而以其面板上第二至第五环筋板的壁厚t2、t3、t4、t5和椭圆形牛腿内孔的半径r为设计变量，在利用ANSYSWorkbench软件中的Design Explorer模块对刀盘尺寸进行优化设计后，刀盘强度最弱部位在正常工况下的静强度与名义疲劳寿命均可分别得到进一步的提升。　　上述研究结果为兰州地铁掘进施工所用某型土压平衡式盾构机刀盘结构的优化设计提供了参考依据。

目录

声明

摘要

1 绪论

1．1 选题工程背景

1．2 盾构机概述

1．3 盾构技术研究发展状况

1．4 国内外盾构机研究状况

1．4．2 国内研究现状

1．5 课题的研究内容

2 有限元软件介绍

2．1 CAE与有限元法概述

2．2 ANSYS软件简介

2．2．1 ANSYS的发展过程

2．2．2 ANSYS Workbench简介

2．2．3 ANSYS Workbench的功能

3 盾构机分类及土压平衡式盾构机的简介

3．1 盾构机的分类

3．2 土压平衡式盾构机的组成和工作机理

3．2．1 土压平衡式盾构机的组成

3．2．2 土压平衡式盾构机工作原理

3．3．2 切削型刀具

3．4 刀具的切削参数分析

3．4．1 刀具的切削用量

3．4．2 刀具的几何参数

3．4．3 刀具切削力的几何参数

3．5 小结

4 兰州地铁掘进所用某型盾构机刀盘的结构分析

4．3 刀盘受力分析

4．3．1 推力的计算

4．3．2 扭矩的计算

4．4 盾构机刀盘的工况分析

4．4．1 正常工况

4．4．2 最大推力工况

4．4．3 静启动脱困工况

4．5 盾构机刀盘的静力学分析

4．5．3 现用刀盘的静力学分析

4．6 现用刀盘的疲劳分析

4．7 改进后刀盘的静力学分析

4．8 改进后刀盘的疲劳分析

4．9 小结

5 盾构机刀盘的动力学分析

5．1 动力学分析的基础

5．2 模态分析

5．2．1 现用刀盘的模态分析

5．2．2 改进后刀盘的模态分析

5．3 谐响应分析

5．3．2 现用刀盘谐响应分析

5．3．3 改进后刀盘的谐响应分析

5．4 小结

6 盾构机刀盘结构的优化设计

6．1 优化设计的理论基础

6．1．1 优化设计简述及数学模型

6．1．2 优化设计的分析步骤

6．2 盾构机刀盘参数设定

6．3 盾构机刀盘的优化设计

6．3．1 优化设计的流程

6．3．2 实验设计法

6．3．3 响应面的灵敏度图

6．3．4 目标函数的权衡图

6．3．5 响应面的蛛状图

6．4 小结

结论

致谢

参考文献

攻读学位期间的研究成果