（机械制造及其自动化专业论文）盾构刀盘的受力分析及结构优化.pdf

原创性声明 iiii ii iii iil lll li iiif y 2 10 2 9 2 0 本人郑重声明：所呈交的学位论文，是本人在导师的指导下，独立进行研 究所取得的成果。除文中已经注明引用的内容外，本论文不包含任何其它个人 或集体已经发表或撰写过的科研成果。对本文的研究作出重要贡献的个人和集 体，均已在文中以明确方式标明。本声明的法律责任由本人承担。 学位论文作者：以踅 日期：切，缉j 月沙日 学位论文使用授权声明 本人在导师指导下完成的论文及相关的职务作品，知识产权归属郑州大学。 根据郑州大学有关保留、使用学位论文的规定，同意学校保留或向国家有关部 门或机构送交论文的复印件和电子版，允许论文被查阅和借阅；本人授权郑州 大学可以将本学位论文的全部或部分编入有关数据库进行检索，可以采用影印、 缩印或者其它复制手段保存论文和汇编本学位论文。本人离校后发表、使用学 位论文或与该学位论文直接相关的学术论文或成果时，第一署名单位仍然为郑 州大学。保密论文在解密后应遵守此规定。 学位论文作者：乞电 日期：矽，年一r 月7 0 日 il厂 摘要 摘要 盾构刀盘是盾构机的重要部件之一，在实际工况中受力状况比较复杂。我 国生产的盾构刀盘，多基于国外产品的仿制，缺乏必要的理论分析和设计计算 基础，从而导致盾构刀盘的设计及制造相对滞后，刀盘重量过大。本文针对硬 岩盾构刀盘作为研究对象，分析和计算其工作中的应力分布规律。 本文的研究内容主要如下： 1 首先根据刀盘已有的生产图纸，进行a n s y sw o r k b e n c h 有限元分析 建模。简化了刀盘结构中不必要的细节，将受力较为复杂的刀座简化为主梁直 接受力，并对易产生应力奇异的部位进行圆角处理。建模后对模型进行支反力 计算验证，证明该模型精度能够满足计算要求。 2 在前处理建模的基础上，针对硬岩刀盘常见的工况进行分析。结果认为， 在三分之一堵转条件下，刀盘应力的峰值较大，且各工况应力峰值部位的分布 存在一定规律，基本上处于刀盘牛腿根部。说明刀盘的牛腿部位是应力敏感区。 3 对刀盘进行数值模拟疲劳分析、并将材料和焊接试件的实验结果作对比， 估算出刀盘的低周疲劳寿命。 4 对刀盘的结构进行了局部的改进，并将改进后的模型与原模型进行对比分 析，结果表明这些结构改变能够取得比较令人满意的结果。最后对课题进行了 回顾与展望，为课题的后续研究指明方向。 关键词：盾构刀盘：有限元；低周疲劳；结构改进 论文类型：应用研究 - i a b s t r a c t a b s t r a c t s h i e l dc u t t e ri so n eo ft h ei m p o r t a n tp a r t so ft h es h i e l dm a c h i n e ，t h es i t u a t i o ni s m o r ec o m p l e xf o r c ei nt h ea c t u a lw o r k i n gc o n d i t i o n s c h i n a sp r o d u c t i o no fs h i e l d c u t t e r , m o s t l yb a s e do nt h ei m i t a t i o no ff o r e i g np r o d u c t s ，t h el a c ko ft h en e c e s s a r y t h e o r e t i c a la n a l y s i sa n dd e s i g nb a s i sf o rc a l c u l a t i o n r e s u l t i n gi nt h e s h i e l dc u t t e r d e s i g na n dm a n u f a c t u r i n gi sl a g g i n gb e h i n d ，a n dh e a v yw e i 曲tc u t t e r c u t t e rf o rh a r d r o c ks h i e l df o rt h es t u d y , a n a l y s i sa n dc a l c u l a t i o no fs t r e s sd i s t r i b u t i o ni nt h e i rw o r k t h em a i nr e s e a r c hc o n t e n to ft h ep r e s e n tp a p e ri n c l u d e sf o l l o w i n ga s p e c t s ： ( 1 ) a c c o r d i n gt ot h ee x i s t i n gp r o d u c t i o nd r a w i n g so f t h ec u t t e r , u s et h ea n s y s w o r k b e n c hf i n i t ee l e m e n ta n a l y s i s s o f tt om o d e l i n g a tt h es a m et i m es i m p l i f y t h es t r u c t u r eo ft h ec u t t e ru n n e c e s s a r yd e t a i l sw i l lb es u b j e c tt of o r c em o r ec o m p l e x s h i e l dc u t t e rs i m p l i f i e st h em a i nb e a md i r e c t l ya f f e c t e db yt h ef o r c e ，a n de a s yt o p r o d u c es t r e s ss i n g u l a r i t ya tt h es i t eo ft h ef i l l e tp r o c e s s i n g m o d e l i n gr e a c t i o nf o r c e s o nt h em o d e lc a l c u l a t i o nh a v ep r o v e dt h ea c c u r a c yo ft h em o d e lt om e e tt h e c o m p u t i n gr e q u i r e m e n t s ( 2 ) p r e v i o u sm o d e l i n go nt h eb a s i so fc o m m o nc o n d i t i o n sf o rh a r dr o c kc u t t e r c o n c l u d e dt h a tt h et h i r dl o c k e dr o t o rc o n d i t i o n s ，t h ec u t t e rh e a ds t r e s sp e a kl a r g e p a r t so ft h ed i s t r i b u t i o no ft h ec o n d i t i o n sp e a ks t r e s st h e r ea r ec e r t a i nl a w s ，b a s i c a l l y i nt h ec o r b e lr o o t so f t h ec u t t e r c o r b e lp a n so f t h ec u t t e ri ss t r e s ss e n s i t i v ea r e a ( 3 ) c a r r yo u tc u t t e rn u m e r i c a ls i m u l a t i o no ff a t i g u ea n a l y s i s ，a n dm a t e r i a l sa n d w e l d i n gt h ee x p e r i m e n t a lr e s u l t sf o rc o m p a r i s o n ，a n df i n a l l yt oe s t i m a t et h el o wc y c l e f a t i g u el i f eo ft h ec u t t e r ( 4 ) l o c a li m p r o v e m e n t st ot h es t r u c t u r eo ft h ec u t t e r , c o m p a r a t i v ea n a l y s i sa n d i m p r o v e dm o d e lw i t ht h eo r i g i n a lm o d e l t h er e s u l t si n d i c a t et h a tt h e s es t r u c t u r a l c h a n g e sh a sa c h i e v e ds a t i s f a c t o r yr e s u l t s f i n a l l y , t h es u b j e c to fr e v i e wa n do u t l o o k ， a n dd i r e c t i o nf o rt h ef o l l o w u ps t u d yo f t h es u b j e c t 1 1 a b s t r a c t _ _ 一 k e y w o r d s ：s h i e l dc u t t e r ；f i n i t ee l e m e n t ；l o wc y c l ef a t i g u e ；l o c a l s 打u c t l l r e i m p r o v e m e n t p a p e rt y p e ：a p p l i e dr e s e a r c h i i i 目录 目录 摘! i l 善i a b s t r a c t i i 目录i v 1 绪论。i 1 1 课题的来源与背景1 1 2 国内外研究现状l 1 2 1 盾构工作原理1 1 2 2 国外研究状况3 1 2 3 国内研究状况3 1 2 4 刀盘设计现状6 1 3 课题研究的主要内容和方法6 2 刀盘结构与受力分析7 2 1 刀盘结构与有限元模型前处理7 2 2 有限元分析8 2 2 i 有限元理论8 2 3网格划分- lo 2 4 刀盘受力分析1l 2 4 1 重力计算。1 4 2 4 2 缺口处三分之一半径堵转16 2 4 3 正常工况。l8 2 4 4 静启动脱困1 9 2 4 51 2 0 0 吨推挤2 0 i v 目录 2 5 本章小结2 l 3 应力分析2 3 3 1 刀盘结构与受力关系2 3 3 2 牛腿处的应力奇异2 5 3 3 线性外推2 7 3 4 刀盘整体结构静强度校核3 1 3 5 本章小结3 2 4 刀盘疲劳寿命估算3 3 4 1 疲劳数值模拟3 3 4 2 疲劳实验3 4 4 2 1 刀盘材料力学常规力学性能测试。3 4 4 2 2 刀盘材料常规疲劳性能测试3 5 4 3 寿命估算4 1 4 3 1 基于试件s - n 曲线疲劳模拟4 l 4 3 2 疲劳估算。4 2 4 3 结果说明4 4 4 4 本章小结4 5 5 刀盘局部结构改进4 6 5 1 改变牛腿形状4 6 5 2 改善局部力流线4 8 5 3 增加筋板4 9 5 4 本章小结5 0 6 结论与展望5l 6 1 本文的研究成果和结论：5 l 6 2 展望5 2 v 目录 参考文献5 3 致谢5 5 个人简历在学期间发表的学术论文与研究成果5 6 1 绪论 1绪论 1 1 课题的来源与背景 随着城市化程度的不断提高、基础设施的大量建设，人们对地下空间的需 求也越来越大，尤其在我国这种人口稠密国家，地下空间的大力发展具有更具 实际意义。而要发展地下空间一个高效率的挖掘工具是必不可少的，目前其中 的代表正是有地下航母之称的盾构机。盾构机以其快速、优质、安全、经济、 有利于环境保护和劳动力保护等优点被广泛应用于地铁隧道、公路隧道、引水 隧洞等工程【l 】。同时由于国内基础设施的大量建设使得盾构的国产化具有非常广 阔的经济前景。 我国在盾构机行业中属于后来者，起步较晚、实际应用较少，关键零部件 还受制于人，国内生产的所有盾构机关键总成和零部件大部分还是依赖于进口 【2 】。本文对盾构的关键部件刀盘进行了较为详细的结构受力分析，结合实际 工况估算刀盘的疲劳寿命，并对刀盘的结构提出几点改进建议。分析结果为刀 盘设计和实际的施工提供一定的参考。 本课题来源于中铁遂道装备制造有限公司盾构项目硬岩刀盘的抗疲劳 评定及延寿研究，由郑州大学机械工程学院和中铁遂道装备制造有限公司联合 进行。 1 2 国内外研究现状 1 2 1 盾构工作原理 盾构的发明至今有近1 8 0 年的历史，它最先起源于工业强国英国，但却是 在日本和德国得到充分的发展【3 4 】。其基本工作原理用一个圆柱体( 当前也发展 出很多异形盾) 的支撑构件沿隧道预订方向一边推进一边对土壤进行挖掘。该 圆柱体构件的外壳体就称为护盾，它的主要作用是对刚挖掘出的还没有衬砌的 隧道进行临时的支撑，它的作用不仅要承受周围土层的压力、地下水压，还要 起着隔离的作用，如将地下水挡在施工场地外面。挖掘、排土、衬砌等工艺流 1 绪论 程都是在盾构外壳的撑护下进行【5 ，6 7 1 。 根据盾构机开挖方法的不同，盾构可分为：敞开式、半敞开式、封闭式和 混合式等【8 9 1 0 1 。在实际施工时为了减少盾构施工对地层的扰动，一般先借助千 斤项驱动盾构使其切口插入土层，然后使用水泥加固，接着在切口内进行土体 开挖与运输【1 1 , 1 4 1 。 图1 1 上海城建隧道股份生产的e p b 盾构图1 2 巨型隧道混合式盾构 敞开式盾构一般又可分为手掘式、半机械式、机械式盾构，此方式适合于地 质条件相对较好的情况，在地质条件较好时开挖面在掘进中能够自个保持稳定 或是借助辅助措施来保持稳定。其开挖一般是从顶部开始逐层向下挖掘。当地 质条件较差时，可以借助千斤顶加撑板对开挖面进行临时支护。采用敞开式开 挖，因为在实际施工时盾内的施工人员可以与开挖面直接接触，所以对于处理 障碍物、纠偏、超挖等状况均比其它方式要容易。为了减少施工对地层的扰动， 要对超挖量与暴露时间进行控制l l j 1 4 j 。 半敞开式又可分为挤压式和网格式：挤压式是指盾构切口正面全部用胸板 封闭，靠挤压的方式推进，；或者是在切口面留一个大小可调节的进土孔，靠局 部挤压来推进，用挤压式盾构开挖时有时会遇到不出土或部分出土的现象，这 样会对地层产生较大的扰动，所以在确定施工路线时，应尽量避开地上建筑物。 采用局部挤压的方式施工时，要精确控制出土量，以减少和控制地表的沉降。 网格式是指开挖面用网格梁或格板分成许多格子，网格的大小是根据开挖土体 的地质状况来调节的。当盾构推进时，土渣就从格子里挤出来，开挖面的稳固 是靠开挖面土体的物理粘聚力和网格实体梁的阻力来保证的。采用网格式开挖 时，会存在千斤顶缩回的现象，这样就会导致盾构的后退，如果后退量过大就 会发生地表的沉降，所以在施工时对这种情况要特别重视，必须采取有效措施 2 l 绪论 来防止盾构的后退1 1 4 , 1 5 j 。 封闭式盾构又可分为泥水平衡和土压平衡两种方式，这两种盾构机型在当 前的实际工程使用量最大【1 6 1 。二者的主要区别在于出土( 渣) 的方式不同，工 作的基本原理是一样的。泥水加压式盾构机与土压平衡不同之处在于它是用泥 水或泥浆( 通常为膨润土悬浮液) 来稳定开挖面，其刀盘后面有一个密封隔板，与 开挖面之间形成泥水室，里面充满了泥浆，开挖土料与泥浆混合由泥浆泵输送 到洞外分离厂，经分离后泥浆经改良后再次由管路输送回泥水室重复循环使用 【1 7 ，l8 】 0 土压平衡式盾构机是刀盘通过旋转来切削断面的土体，把挖下的土料( 有时 需要添加泡沫或其它工艺对土壤进行改良) 作为稳定开挖面的介质，刀盘后隔板 与开挖面之间形成一个泥土室，开挖下的土料由螺旋输料器旋转运出，泥土室 内的土压可由刀盘旋转速度和螺旋输出料器出土量( 旋转速度) 进行调节。土压平 衡盾构的地层适应范围非常广，能够适应从松软粘性土到砂砾土层范围内甚至 是硬岩等各种土层。此外它还具有泥水加压盾构的优点，消除了复杂的泥水分 离过程，所以在实际施工中土压平衡盾构受到越来越广泛的应用。 复合式盾构是为了应对比较复杂和恶劣地质条件，一般可分为泥水复合型、 土压复合型、敞开复合型。 1 2 2 国外研究状况 据不完全统计，目前国外盾构机的主要制造厂有2 0 家左右，主要集中在日 本和欧美，如日本的三菱重工、川崎重工，德国的海瑞克公司，美国的罗宾斯 公司，加拿大的罗法特公司等【1 9 加l 。这些生产厂家中又以日本和德国的比较先进， 尤其是土压平衡式和泥水式盾构机在日本上世纪8 0 年代经济的快速发展和实际 工程的需要背景下得到长足的发展。而德国的盾构机技术先进之处表现在应用 各种先进技术应对各种复杂地质、气候条件，如在保证密封的前提以下在高达 0 3 m p a 气压的情况下更换刀具，从而大大提高了盾构机的一次掘进长度【2 1 ，2 2 2 3 1 ， 此外还开发了在密封条件下，从刀盘内侧的常压空间内更换磨损的刀具瞄】。 1 2 3 国内研究状况 我国对盾构应用最早可以追溯到1 9 5 3 年，由于工业与经济水平的落后在当 时仅仅是应用，一般不进行技术上的开发与研究。东北的阜新煤矿用手掘式盾 3 1 绪论 构挖掘了直径2 6 m 的疏水巷道瞄j 。 1 9 6 5 年3 月，由上海隧道工程设计院设计、江南造船厂生产制造了2 台直 径5 8 m 的网格式挤压盾构机，并于1 9 6 6 年挖掘完成了2 条平行的隧道，每个 隧道长6 6 0 m ，地面最大沉降达到1 0 c m t 2 4 】。 1 9 8 6 年，中铁隧道集团研制出国内首台半断面插刀盾构，并成功用于修建 北京地铁复兴门折返线。 1 9 8 7 年，上海隧道股份公司研制成功了国内首台直径4 3 5 m 的泥土加压式 土压平衡盾构，并于1 9 8 8 年1 月 - - 9 月应用于上海市南站的跨江电缆隧道工程， 成功穿越了黄浦江底的粉砂型地质层，掘进长度达5 8 3 m 。 1 9 9 0 年，上海地铁l 号线的修建工程全线开工，总长达1 8 千米的隧道区间 共采用7 台盾构机，这些盾构机是由法国的f c b 公司、上海隧道工程设计院、 上海隧道股份和沪东造船厂联合研发制造的巾6 3 4 米土压平衡盾构机。每台盾 构的掘进速度可达月2 0 0 米以上，地表沉降控制在+ 1 3 厘米范围内。1 9 9 6 年， 上海地铁2 号线的修建再次使用了原来的7 台土压平衡盾构，并且从法国f 米t 公司又进口了2 台土压平衡盾构，九台盾构机掘进总长达2 4 千米。其中2 号线 的1 0 号盾构为上海隧道公司自行设计与制造。 2 0 世纪9 0 年代，上海隧道工程股份有限公司依靠自身力量单独设计制造 了6 台巾3 8 - - 6 3 4 米的土压平衡盾构，用于修建地铁隧道、取排水隧道和电缆 隧道等，掘进总长度约l o 千米。在9 0 年代中，直径1 5 - 3 0 米的项管工程也 采用了小刀盘和大刀盘的土压平衡项管机，在上海地区使用了1 0 余台，掘进管 道约2 0 千米。1 9 9 8 年，上海黄浦江观光隧道工程购买国夕v - 手巾7 6 5 米铰接式 土压平衡盾构，经修复后掘进机性能良好，顺利掘进隧道6 4 4 米。 1 9 9 6 年，上海延安东路隧道的南线工程采用从日本引进的由1 1 2 2 米的大 直径泥水加压平衡盾构机，掘进长度1 3 0 0 米左右。 1 9 9 8 年，上海隧道股份公司研制成功国内首台第1 台由2 2 米的泥水加压 平衡顶管机，应用于上海污水治理的二期过江倒虹管工程，顶进总长度1 2 2 0 米 左右。 1 9 9 9 年5 月，上海隧道股份公司研制成功国内首台3 8 米3 8 米矩形组 合刀盘式土压平衡顶管机，应用于浦东陆家嘴地铁车站的两条过街人行地道工 程，掘进长度1 2 0 米。 2 0 0 0 年2 月，广州地铁2 号线海珠广场至江南新村的区间隧道采用了由上 4 1 绪论 海隧道股份改制的2 台巾6 1 4 米复合型土压平衡盾构，并且成功的在珠江底的 风化岩地层中进行掘进1 2 5 。 目前国内主要有4 家具备自主设计和研发能力的规模厂家，它们分别是沈 阳的北方重工集团有限公司，上海的上海隧道股份机械公司，长沙的中国铁建 股份有限公司和中铁隧道装备制造有限公司【2 8 , 2 9 , 3 0 。上海隧道股份是国内最早涉 及盾构施工和盾构设计、制造的企业，北方重工2 0 0 7 年并购了法国盾构机生产 商n f m 公司。中铁装备和中国铁建脱胎于铁路施工行业，是国内隧道和地下工 程领域最大的企业集团。在盾构研发生产方面，中铁拥有国内第一个隧道掘进 机实验室，开发了具有自主知识产权的盾构研发试验平台实验室在刀盘刀具设 计、复合盾构研制、泡沫系统研制、刀盘变频驱动系统研制等方面取得了一批 较高水平的原创性研究成果，形成了鲜明的研究特色，总体上具备了组建国家 重点实验室的条件。在土木施工方面中铁拥有大量的土木施工经验，这对盾构 设计很重要，盾构机的设计研发特别强调实际经验的积累，要求土木施工专业 和机械设计专业的紧密结合，两者的知识架构缺一不可。正是依托于这些技术 优势与实践经验使得中铁隧道集团成为国产盾构机诞生基地之一，尤其是在泥 水盾构方面。 2 0 0 1 年，国家科技部将盾构国产化列入国家“8 6 3 ”计划。在国家科技部的引 导下，中铁隧道集团有限公司和上海隧道工程股份有限公司在盾构开发上取得 了巨大的成绩。适应于软土地层的6 3 m 土压平衡盾构的设计和制造有了明显突 破，完成了样机的制造，初步形成盾构制造、安装、调试的成套工艺技术，已 具备规模化制造加工的能力；盾构隧道掘进关键技术已基本掌握；研制出了世 界上最大的盾构模拟试验平台；成功组建了股份制的盾构设计试验研究中心。 目前，正在继续进行砂砾复杂地层盾构切削与测控系统关键技术的研究及大型 泥水盾构消化吸收与设计的研究【3 1 1 。相比于发达国家盾构技术，国内盾构技术 的不足主要表现在： ( 1 ) 机械化自动化的程度不够，例如日本和德国的盾构基本上能够实现掘 进、管片的安装、出渣等施工过程的全机械化和全自动化； ( 2 ) 盾形不够多样化，开挖断面形状不够丰富；地质适应范围不够广，尤其 在软土与硬岩方面，此外应对复杂土层也力不从心。 ( 3 ) 系统整体集成与控制程度比较低，系统整体运行的精度不够高，功率不 够大。 5 1 绪论 ( 4 ) 不具备特种施工技术，如盾构刀盘直接掘削竖井井壁、盾构直接进井、 出井技术。 1 2 4 刀盘设计现状 盾构刀盘的设计是盾构的一项关键技术，也是一个很有挑战的技术，国内 目前对刀盘的设计多是直接引进国外的技术，再进行消化吸收，但总体上进展 不大。由于技术的不成熟，很多生产厂家对国外刀盘不敢做任何改动，由于刀 盘的设计是和地质条件紧密相关的，所以这势必会影响盾构的应用，所以现在 我们的任务就是尽快掌握刀盘整体结构设计技术、刀具的布置方案等等，设计 制造出适合国内各种地质条件的盾构刀盘。刀盘的设计主要有：刀盘整体结构的 选取与设计、刀具的种类与布置，刀盘材料的选取。 1 3 课题研究的主要内容和方法 本文主要是利用有限元软件a n s y s 对中铁隧道承建的重庆地铁六号线设计 的硬岩盾构刀盘进行整体受力分析以获得全局应力和变形分布、静强度设计校 核和为疲劳分析提供名义应力，再利用试件的实验数据进行刀盘的疲劳寿命进 行估算。 本文的主要研究内容如下： 1 ) 有限元建模，介绍网格的划分理论与质量的评判标准。进行不同工况下 刀盘的数值模拟分析。 2 ) 对模拟结果进行分析，验证结果是否正确，剔除不合适的数值。 3 ) 对刀盘进行疲劳分析，并与实验结果下的寿命进行对比，最后估算出刀 盘的使用寿命。 4 ) 参照应力计算结果对刀盘的结构提出局部优化改进建议。 6 2 刀盘结构与受力分析 2 刀盘结构与受力分析 2 1 刀盘结构与有限元模型前处理 根据中铁隧道装备有限公司提供的硬岩盾构刀盘的二维图纸，对刀盘模型 进行了三维建模。由于原图纸中刀盘是焊接结构件，如果直接按照装配体方式 建模，会产生大量的接触面，造成分析困难。而且由于在此阶段工作的基本要 求是对刀盘进行整体受力分析，所以建模采用整体坯料去除材料方式进行三维 建模，使刀盘成为一个整体部件。刀盘的实物如图2 1 所示。 图2 1 某段线路下的硬岩盾构刀盘整体图 在w o r k b e n c h 环境下建立三维模型时，为了提高计算精度、缩短计算时间， 建模时在不影响整体结构受力结果的前提下对模型进行了适当简化【3 2 2 3 , 3 4 1 ，简化 的内容有： ( 一) ：不考虑所有刀具与刀座； ( 二) ：去除螺栓口、开1 3 槽、滚刀槽等不影响结构强度的微小结构； ( 三) ：去除泡沫注射口。 简化后的刀盘三维模型如图2 2 ，刀盘材料采用q 3 4 5 结构钢，主要参数为： 密度p = 7 8 x 1 0 3 k g m 3 ；泊松比v = 0 3 ；弹性模量e = 2 0 6 x 1 0 1 1 p a 。 7 2 刀盘结构与受力分析 2 2 有限元分析 03 e + 0 0 36 e + 0 0 3 ( m m ) 二= = = = = = = = = 15 e 加0 345 e - * 0 0 3 图2 2 刀盘三维模型 2 2 1 有限元理论 一般情况下工程问题都可归结为其物理模型的数学问题，其中大部分情况 都可建立相对应的边界条件与初始条件的微分方程组，这些方程组代表了力、 能量、质量的平衡，某些情况下在给定的条件下通过求解这些方程组就可得到 系统的精确解，但在实际工程问题中由于微分方程组的复杂性和边界条件以及 初始值的难以确定性，我们一般得不到系统的精确解。在这种情况下，一般是 用数值方法求的其近似解，我们称为系统的数值解。它与解析解的区别在于解 析解在系统的任一点上的解都是精确的，而数值解只有在“节点 上才认为近 似于精确解 3 5 , 3 6 1 。而我们常用的有限元法就是数值解的一种。它的基础是变分原 理和加权余量法，把计算域划分为有限个互不重叠的单元，在每个单元内，选 择一些合适的节点作为求解函数的插值点，将微分方程中的变量改写成由各变 量或其导数的节点值与所选用的插值函数组成的线性表达式，借助于变分原理 或加权余量法，将微分方程离散求解。采用不同的权函数和插值函数形式，便 构成不同的有限元方法。通过以上说明可以将运用有限元理论分析的基本步骤 归纳为 3 7 , 3 8 1 ： 8 2 刀盘结构与受力分析 1 ) 建立求解域，并将求解域离散化，将其分割成若干个单元，单元间彼此 通过节点相连，即将求解问题分散成节点和单元。 2 ) 建立形函数来描述每个单元的解。 3 ) 建立单元的刚度方程。 4 ) 连接单元，构造系统刚度方程。 5 ) 应用初始条件与边界条件，并施加载荷。 6 ) 解方程求的节点值。 7 ) 后处理。 实际工程问题中方程运算量常常是巨大的，在这种情况下工程人员一般需 要借助软件来进行求解，a n s y s 是目前工程上比较成熟的有限元软件，不但能运 算静态或动态有限元问题，还能进行流体、热传导、电磁学等方面的有限元问 题。在此课题中主要使用a n s y sw o r k b e n c h 进行运算，它是a n s y s 各项产品的 模块化整合，与经典a n s y s 相比它具有以下优点： 1 ) 截面操作简单易上手，w b e 中的“向导”( w i z a r d s ) 可以指导用户完成 完整的分析。针对各项分析均建立了导引向导，包含：应力分析、热传分析、 自然频率分析、低频电磁场分析、疲劳分析、外型最佳化等，每一个导引向导 可以一步一步地引导用户完成一个特定任务，可提高用户分析效率。 2 ) 和其它三维软件的衔接比较紧密，导入复杂模型比较方便，且成功率比 较高。能够读取模型中定义的几何参数，并且可以在w b e 中修改模型的参数， 进行参数化设计分析。 3 ) 具有强大稳定的网格划分能力。工程人员在进行c a e 分析时大部分的 时间都花费在建模和划分网格等前处理上，a n s y sw o r k b e n c h 能够比较好的对 复杂大型装配件之间的网格划分进行处理，它的自动网格生成技术可大大节省 用户的时间，它不仅能够依据模型的几何形状建立高品质的网格，而且能够强 化六面体( h e x ) 元素网格的质量，有效的缩短了求解运算的时间，而且能够确保 分析的精度和准确性。 4 ) 能够自动施加比较复杂的载荷与边界条件。 5 ) 全自动识别相邻的零件并自动设置接触( c o n t a c t ) 关系是w b e 易用性的另 一个具体表现，通过自动接触识别能够节省人工建立接触条件的时间。现行的 许多软体均需要手动设置接触关系，这不但耗时，而且出错率较高。此外a n s y s w o r k b e n c h 还提供了许多工具，使用户能够比较方便的进行手动编辑接触表面， 9 2 刀盘结构与受力分析 或为现有的接触区域指定各种接触类型。 6 ) 对于a n s y s 传统功能h 也支持，如a n s y s 命令流及a p d l 程式语言。 它具有命令视窗，使用者可在w o r k b e n c h 中输入前后处理的各种a n s y s 命令和 a p d l ，执行建模与求解过程。可以自动生成分析报告。可自动截取分析过程的 信息，并自动生成w o r d 或h t m l 格式的c a e 分析报告。 同时w o r k b e n c h 相比a n s y s 也有其不足之处：虽然对实体模型的分析功能 强大，但是对壳和梁单元处理效果并不是很好；没有集成a n s y s 的全部功能， 如不能查看单个节点的受力状况等；不能读取a n s y s 的d b 文件，从w b e 到 a n s y s 的模型转换是单向的；缺少对单元的控制，不能创建s p r i n g ，l i n k ，或 m a s s 等单元；模型往a n s y s 中导入时，只能导入有限元模型，而不是几何模 型。 利用w o r k b e n c h 进行有限元求解时通常分为四个步骤：建立有限元模型， 划分网格单元，单元求解，整体求解。在进行以上步骤时特别需要注意以下几 个问题： 1 ) 单元类型的选择。 2 ) 网格的划分质量，它的质量关系到整个有限元分析结果的精确度，有时 为了使网格达到要求，常常要对模型进行修改，而怎样修改常常依靠工程人员 的知识和经验。 3 ) 边界条件与载荷的施加，这一步通常是前处理中最难的，它涉及到对实 际问题工况的提取和对有限元模型边界条件的施加，否则模型分析的工况有可 能与实际情况不符，从而导致分析结果的偏离。 2 3网格划分 利用有限元软件进行数值计算时，由有限元理论可知对先要对问题求解域 离散化，这在软件上的表现方式是对模型进行网格划分，由于刀盘形状比较复 杂，采用切割映射划分六面体网格比较困难，所以采用通用四面体网格方法， 用从里到外的方式对模型进行整体划分，划分结果如图2 3 ，对一些应力较为敏 感的区域则进一步采用局部网格加密的方法进行处理，通过调整加密参数得到 稳定的计算值。整体划分后模型共有2 9 3 3 6 0 个节点，1 8 0 6 7 1 个单元。对网格的 质量采用畸变率( s k e w n e s s ) 和支反力作为模型验证来作为评价指标： i o 2 刀盘结构与受力分析 1 ) 畸变率，划分完毕后查看其畸变率最大为0 7 6 5 6 ，小于临界值o 9 5 ，认 为网格质量符合计算要求。 2 ) 支反力，验证方式是选取外筒壁面施加工作扭矩5 0 0 0 k n m 作为模拟工 作载荷，后端法兰盘固定，求支反力，加力模型如图2 4 所示，最后求得支反力 矩为4 9 9 9 k n m ，误差0 0 2 ，满足精度要求。 由以上两种指标可得网格的质量满足计算精度要求。 图2 3 刀盘整体网格划分结果 0 l i _ 【= = = = 2 = $ 1 + 0 0 3 【：= = = s 。+ 0 0 0 h l 巧 + 33t s 3 图2 4 支反力求解 2 4 刀盘受力分析 盾构刀盘在实际的工作中所受的载荷由于实际地质条件的不同所受的载荷 模式也不同，而要对这些载荷进行提取比较困难，尤其是各个刀坐上所受的载 荷大小与方向。所以本文只对刀盘的整体结构初步的受力分析，根据盾构的工 作特点认为盾构整体上主要受正面推进阻力和旋转切削阻力，但即使是在相同 的地质条件下，由于实际施工条件的变化，盾构有时会处于一种恶劣的工作状 况，在进行刀盘受力分析时也必须将这些情况考虑进去。本文要进行受力分析 的工况主要有五种：重力计算，缺口处三分之一半径堵转，正常工况，静启动 脱困，1 2 0 0 吨推挤。 在从试算过程中，可以得到最大应力点的位置一般集中在牛腿根部。为了 区别3 2 个牛腿根部的位置，特约定如下： 将刀盘置于如下坐标系中，牛腿编号l 4 如图2 5 所示。 2 刀盘结构与受力分析 牛腿1 牛腿2 图2 5 牛腿编号 牛腿在法兰面和刀盘面的区别，用a 、b 表示如图2 6 所示： 。【= 兰l 当“ ，0 0 02 2 0 图2 6 刀盎 牛腿上单个棱边的编号约定如图2 7 所示： 1 2 2 刀盘结构与受力分析 图2 7 牛腿棱边编号 单个棱边编号以远离中心点为1 、2 ，近中心点为3 、4 ，并按顺时针方向排 序，由以上约定，可用三个数字和字母组合来表示牛腿上3 2 个尖点的位置，表 示方法如下： x 牛腿棱边编号1 4 牛腿焊接面a b 牛腿编号i , - 4 例如，当代表符号为4 a i 时，代表的牛腿的点位如图2 8 所示： 图2 8 刀盘编号示例 2 刀盘结构与受力分析 滚刀坐是受力加载部位，为了简化模型，将部分滚刀进行了合并，如立柱 中心的多把滚刀，合并成为两个受力面。同时，根据刀盘模型的特点，将整个 刀盘分为a bcd 四个柱面，滚刀位置在四个柱面依次编号，其中c 柱和d 柱 两端均有四把辅助滚刀，用c c 和d d 表示，编号顺序如图2 9 所示，其中，a 7 、 a 8 、d 4 、c 5 为多把滚刀复合。 图2 9 刀盘柱面编号 2 4 1 重力计算 刀盘自重6 5 5 7 吨，当刀盘旋转到空间不同位置时，其应力分布是不同的， 会对结构中的最大应力值及分布位置产生影响。 根据刀盘结构特点，分别对一y 、一x 以及x y 方向夹角4 5 度重力方向进 行设置，以对比不同方向下重力对应力的影响程度。 o 一- _ = = 圭_ 匕= = 竺严 15 3 重力一y 方向分析变形分布结果 1 4 重力一y 方向分析应力分布结果 2 刀盘结构与受力分析 重：o - x 方向分析变形分布结果 重力一x 方向分析应力分布结果 重力x y 方向分析变形分布结果 o _ _ i = = 圭当薯i c = = 兰尹“ i5 r 3 重力x y 方向分析应力分布结果 图2 1 0 刀盘重力数值计算 表2 1 重力在不同方向的分析结果 从以上数值计算可得出：重力在不同位置条件下，其应力最大值变动在 5 m p a 左右，说明刀盘质量分布并非理想的均匀状态，会对以后的分析产生一定 的影响。但由于自重产生的应力值与刀盘材料最大屈服强度( 3 4 5 m p a ) 相比较 小，并且最大变形量在0 1 m m 左右，因此，可以忽略不同位置情况下刀盘应力 2 刀盘结构与受力分析 的差异。为了以后计算的统一，取重力加速度方向为y 。 但当对结构应力精确计算时，可以将刀盘转动几种角度下的重力影响综合 考虑进去。 2 4 2 缺口处三分之一半径堵转 缺口处三分之一半径堵转通常发生在硬岩掘进过程中，产生原因是由于盾 构进给过快或前方切削面坍塌等原因造成岩土在刀盘前端堆积，使得刀盘切削 扭矩不足以克服摩擦阻力而停转。而通常在岩土堆积高度到达刀盘半径三分之 一时，刀盘才停转，所以一般称作三分之一半径堵转。堵转时刀盘的切削扭矩 为额定扭矩。 额定转矩的计算公式为f 3 6 1 ： t 。d 0 3 式中：7 = 一装备额定扭矩( k n m ) 一稳定掘削扭矩系数，常取1 4 2 3 k n m 2 取d e = 6 1 8 m ，= 1 4 k n m 2 可得： t , = 1 4 x6 1 8 3 = 3 3 x1 0 6 n m 则l 3 半径面积上由于摩擦力产生的切向力z 为： z ：互：竺型：1 2 8 l o 。 尺 2 5 7 5 则刀盘1 3 半径面积上的垂直推力为： 瓦：互：丝塑竺：3 8 9 1 0 s ” 0 3 由于刀盘l 3 半径堵转位置的不确定性以及刀盘结构的非对称性，在计算加 载时不能忽略刀盘结构的特性，所以将l 3 半径受力面分别取在- - y 、- - x 及 x y 4 5 度方向上( 与重力计算时位置相似) ，受力条件：1 3 半径处面上加力3 8 9 x1 0 6 n ，额定转矩3 3x 1 0 6 n m ，取三个位置分别进行计算，在对模型进行加载 前，先对刀盘盘面进行半径三分之一线切割，以使推力能够加在三分之一面上， 重力的加载取一y 方向，计算过程如图2 1 1 所示，计算结果如表2 2 所列。 1 6 2 刀盘结构与受力分析 一y 方向加载 一y 方向加载变形 一x 方向加载计算应力 1 7 一y 方向加载计算应力 一x 方向加载 一x 方向加载变形 2 刀盘结构与受力分析 x y 方向加载x y 方向加载计算应力 x y 方向加载变形 图2 1 1 缺口处三分之一半径堵转数值计算 表2 2 三分之一半径堵转分析结果 堵转位置 最大应力( m p a ) 最火应力点位置最人变形量( m m ) 一y 3 2 5 5 7 4 b i 3 8 2 一x 4 4 2 3 83 b l 5 5 4 x y ( 4 5 度) 5 1 21 8 2 6 4 0 2 4 3 正常工况 在盾构正常工作条件下，盾构刀盘盘面承受正面推挤力以及额定扭矩，根 据已有条件，正面推挤力为1 2 x 1 0 7 n ，扭矩为额定值3 3 x 1 0 6 n m ，加载及计算 结果如下。 一。一