硬岩掘进机分体式刀盘的疲劳分析以及结构优化

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1、分类号：U455.3+1学号：201500356007专业学位硕士论文硬岩掘进机分体式刀盘的疲劳分析以及结构优化FatigueanalysisstudyandstructuraloptimizationoftheTBMsplitcutterhead研究生姓名：毕明洋指导教师：应华副教授专业学位类型：工程硕士专业学位领域：机械工程论文提交日期：2018年6月5日烟台大学学位论文原创性声明和使用授权说明原创性声明本人郑重声明：所呈交的学位论文，是本人在导师的指导下，独立进行研究工作所取得的成果。除文中已经注明引用的内容外，本论文不含任何其

2、他个人或集体已经发表或撰写过的作品或成果。对本文的研究做出重要贡献的个人和集体，均已在文中以明确方式标明。本声明的法律结果由本人承担。论文作者签名：日期：2018年6月5日学位论文使用授权说明本人完全了解烟台大学关于收集、保存、使用学位论文的规定，即：按照学校要求提交学位论文的印刷本和电子版本；学校有权保存学位论文的印刷本和电子版，并提供目录检索与阅览服务；学校可以采用影印、缩印、数字化或其它复制手段保存论文；在非保密的论文范围内，学校可以公布论文的部分或全部内容。（保密论文在解密后遵守此规定）论文作者签名：导师签名：日期：2018年

3、6月5日摘要摘要分体式刀盘是TBM(TunnelBoringMachine-TBM)的核心部件，刀盘与周围岩石边界直接作用，其工作质量和寿命对隧道的施工质量、效率有着重大的影响。本文为了提高分体刀盘分块之间结合面的力学精度，采用虚拟材料层建模方法。在此基础上通过workbench对分体刀盘进行疲劳分析并对刀盘结构受力薄弱环节进行参数化优化。本文的主要工作如下：（1）建立TBM分体式刀盘模型。根据铁建重工集团提供的工程图，在SolidWorks中建立分体刀盘的三维模型。为了适应后续仿真分析及结构优化的需要，将刀盘做了适当的简化。同时为了

4、提高计算精度，采用虚拟材料建模模拟刀盘分体之间结合面的力学特性。（2）TBM刀盘受力分析。刀盘上布置了51把盘形滚刀，为了更精确得模拟刀盘真实的受力情况，本文依次介绍了盘形滚刀的结构、分组、破岩机理、运动学特性和力学特性，进而对滚刀进行受力分析。采用Rostami预测公式和CSM预测公式计算滚刀承受的载荷，并比较之后选择预测精度更高的CSM预测公式。为后续的静态力学分析、疲劳分析奠定基础。（3）TBM分体刀盘的疲劳分析。采用有限元分析法对刀盘进行静力学分析，在静力学分析结果的基础上进行疲劳分析，通过Workbench的疲劳分析模块得到

5、刀盘的寿命云图、损伤云图、双轴指示云图和安全系数云图。分析了影响刀盘疲劳寿命的原因，为刀盘结构的优化提供了依据。（4）TBM分体刀盘结构优化。通过Workbench的优化模块以提高刀盘寿命和降低最大等效应力为目标，对TBM分体式刀盘的受力薄弱环节进行参数化优化。优化设计后最大等效应力减小了70.05MPa，减小了25.73%。最小寿命增加了2985.7次，提高了88.96%。同时灵敏度分析也确定了影响到盘寿命的最主要因素，为刀盘的改进设计提供了依据。关键词：TBM分体式刀盘盘形滚刀响应面优化疲劳寿命IAbstractAbstractS

6、plitcutterheadisoneoftheimportantpartsofatunnelboringmachine(TBM).It’sperformancedirectlyaffectstheTBM’slifetimeandthequalityoftunnelconstruction.Inthispaper,theauthoranalyzedthefatiguecharacteristicsofTBMsplitcutterheadandperformedsize-optimizationonitsweakpartusingWor

7、kbench.Themainworkofthispaperincludes:（1）EstablishmentthemodelofTMBsplitcutterhead.Buildthe3-DmodeloftheTBMsplitcutterheadaccordingtotheengineeringdrawingsprovidedbyCRCC.Thecutterdiscisproperlysimplifiedtomeettherequirementofsubsequentsimulationanalysisandstructuralopti

8、mization.Meantime,inordertoimprovethecalculationprecision,thevirtualmaterialmodelingisusedtosimulatethemechani