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摘要：针对珠三角某地段的地质特点，设计了一种复合式盾构刀盘。采用三维建模技术和有限元仿真方法对盾构刀盘进行了结构仿真研究，获得了最恶劣工况下结构的等效应力和应变云图。分析结果表明，刀盘最大的结构应力为182.8MPa，应变为1.457mm，应力和应变的安全系数较大，研究结果为刀盘的结构设计与可靠性提供了依据。
关键词：盾构机；刀盘；有限元
0. 引言
刀盘作为盾构机掘进地层的关键零件，它在施工过程中主要用来破碎剥离岩土和支护界面。刀盘结构的合理设计不仅有利于提升挖掘效率，同时提高结构强度和使用寿命。因此盾构机刀盘结构设计的合理性已成为盾构机研究的关键技术，特别是对不同地层的适应性施工具有指导作用。
本文主要针对珠三角地区地质进行相关盾构刀盘的设计与研究，基于刀盘三维结构设计对刀盘建立有限元数值仿真模型，并对其结构进行强度分析，探究其在工作时结构应力和应变的分布，为刀盘的机构设计提供理论依据。
1. 刀盘的结构设计
刀盘的结构形式与施工地质具有直接联系，应根据地质的真实情况选择刀盘的结构形式。根据某标段地质勘查的结果，地质条件主要越5-粉质黏土液压指数（IL=0.6）、5-粉土（液性指数IL=0.95）、6-细中砂、5中粗砂、局部穿越、6-中粗砂、4-中粗砂。综合考虑标段的地质因素，设计的刀盘采用复合式结构，直径为8760mm，面板厚度32mm,整体高度750mm。
2. 有限元分析理论基础
有限元的基本思想是将连续的空间集合体离散化，通过在离散单元节点上进行位移差值：
结合以上各式，代入边界条件，即可求得整个结构的应力与应变。
3. 刀盘的网格模型
3.1模型简化
本文采用三维软件CATIA建立了盾构刀盘的3D模型。考虑到刀盘的结构复杂，细微特征较多，所以将刀盘的3D模型导入有限元前软件时必须对模型作适当简化，以提高网格划分精度和减少计算时间[1]。对于刀盘上的螺栓孔和螺栓特征，由于连接处的受力相对复杂，需要进行接触非线性分析，显然对于大型结构受力分析不现实，因此可以直接删除；同时，不考虑大盘焊接处材料特性的变化，焊接处材料特性与相邻部件的材料相同[2]。
3.2材料参数和网格划分
盾构刀盘的材料选用Q345，密度为7850kg/m3，弹性模量为2.1e5MPa，泊松比为0.3。由于刀盘的结构较复杂，采用C3D4单元对刀盘进行网格划分，设置单元的平均尺寸为20mm，同时对可能产生应力集中位置采用尺寸为8mm的网格进行细化。采用有限元前处理软件Hypermesh划分的网格模型，共有131276个单元，42482个节点。
4. 边界条件和载荷施加
由于盾构刀盘的旋转速度一般为0-4r/min，推进速度一般为80-120mm/min，运动速度均较低，因此可近似采用静力分析方法进行仿真分析。由于地下工程掘进设备对可靠性要求很高，因此刀盘设计时应考虑最恶劣的工况以提升工作的可靠性。
结合本标段的土质物理参数和所装备的盾构机，预估刀盘所承受的轴向推力为8500-9500kN，正常工作的额定扭矩为6100KN?m，脱困扭矩7200KN?m。考虑到刀盘设计的可靠性，采用满负荷工况，在刀盘上施加轴向推力9500kN和驱动扭矩7200KN?m，以模拟刀盘的受力与变形最终获得符合实际情况的结果。
5. 计算结果及分析
本文采用大型通用有限元软件abaqus对建立的物理模型进行求解计算，最终获得刀盘的等效应力云图和变形分布如图1和图2所示。在分析的极限工况下，刀盘的最大应力发生在牛腿和刀盘的连接位置，应力值为182.8MPa。由于材料Q345的屈服强度为345MPa,所以最大应力低于Q345的屈服强度，安全系数达到2.47。另外，在刀盘辅梁与辐条连接处也具有较大应力，刀盘其余位置较小，均小于100MPa。刀盘产生的最大形变为1.457mm,位于辐条与牛腿接触的附近，特别是越靠近刀盘旋转轴心的接触位置越大。
图1 刀盘应力云图 图2 刀盘应变云图
综上所述，刀盘在最恶劣工况下能满足结构强度和刚度的要求，此时最大应力位于牛腿和刀盘连接的部位。因此，一定程度上增加牛腿的横截面，可以提高牛腿的整体刚度，从而有利于提升连接位置的强度。另外，适当增大牛腿、法兰盘和刀盘盘体的强度，通过焊缝打磨来降低应力集中，均有利于提高刀盘的整体强度和刚度。
6. 结论
通过对刀盘在最恶劣工况条件下的有限元仿真分析，获得了刀盘的应力与应变分布云图：危险截面位于刀盘与牛腿的链接位置，刀盘的最大应力达到182.8MPa，最大变形达到1.457mm。不考虑有限元模型的结构简化和边界条件简化，仿真结果中的最大应力部位与实际情况相吻合。从刀盘的整体来分析，大部分位置的结构应力和变形均较小，说明刀盘的结构强度和刚度安全系数较高，因此证明设计的可行性。
参考文献：
[1] 夏毅敏, 罗德志, 欧阳涛. 小型盾构刀盘有限元建模与分析[J]. 制造业自动化, 2010, 32(2):15-17.
[2] 王良模, 吴长风, 王晨至. 特种车辆方舱结构的有限元分析[J]. 南京理工大学学报（自然科学版）, 2008, 32(6):707-709.
[3] 夏毅敏, 周喜温, 刘玉江,等. 某型土压平衡盾构刀盘有限元分析[J]. 郑州大学学报（工学版）, 2009, 30(3).
论文作者:吴问霆
论文发表刊物:《防护工程》2017年第15期
论文发表时间:2017/10/24
标签：盾构论文; 应力论文; 结构论文; 有限元论文; 工况论文; 强度论文; 模型论文; 《防护工程》2017年第15期论文;