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1、2009年9月郑州大学学报(工学版)Sep12009第30卷第3期JournalofZhengzhouUniversity(EngineeringScience)Vol130No13文章编号:1671-6833(2009)03-0070-05某型土压平衡盾构刀盘有限元分析1,2233夏毅敏,周喜温,刘玉江,吴遁(1.中南大学材料科学与工程学院,湖南长沙410083;2.中南大学现代复杂装备设计与极端制造重点实验室,湖南长沙410083;3.中铁十四局集团有限公司隧道分公司,山东济南250002)摘要:根据某土压平衡盾构刀盘结构特点,在Solidw
2、orks中建立其三维实体模型,并应用ANSYS软件建立了刀盘相应的有限元计算模型,对刀盘在正常工况和脱困工况下的受力特性进行分析,得到了刀盘在各工况下的应力应变分布规律.分析结果表明,危险截面位于180～210°辅梁与辅条间,在牛腿与法兰盘、辅梁连接处也有较大应力,最大应力为204MPa,最大变形为1.568mm,研究结果为刀盘的结构设计和工程施工维护提供了基础数据.关键词:盾构;刀盘;有限元分析;结构分析中图分类号:TP391.9;U455.44文献标识码:A1.2刀盘有限元模型的建立0引言按照盾构刀盘的实际尺寸,采用国际标准单盾构刀盘是盾构掘
3、进的主要部件,它在施工位制,在Solidworks中建立盾构刀盘的三维模型,中主要用来破碎剥离岩土和支护界面.盾构刀盘然后导入ANSYS中建立其物理模型.为了避免只在掘进过程中会遇到各种不同的地层,从淤泥、软求效率而使分析精度降低或者只求精度而不顾计土、黏土、软岩到风化层硬岩,不同地质物理参数算效率的情况出现,同时为了避免在转化过程中变化很大,工作条件极其恶劣,刀盘承受的随机突由于模型细节太多造成模型转换失败,对建立的变载荷高达数十倍甚至上百倍,这些都对盾构刀刀盘三维模型进行适当简化,如:删除了刀盘中对盘的结构提出了严格要求.盾构刀盘合理的结构有
4、限元分析影响不大的几何特征(圆角、倒角);不仅是保证盾构高效率掘进的关键,同时也是提简化了所有滚刀、刮刀的具体形状和安装方式等.高刀盘寿命、节约刀具使用费用的重要因素.盾构这样做不仅降低了有限元模型划分网格的难度和刀盘的结构设计已成为盾构的关键技术之一,对复杂程度,而且加快了分析的速度,既兼顾了求解[1-3]盾构的地质适应性施工有着重要的意义.的效率,同时也保证了有限元分析的计算精[4-5]度.图1、图2分别为刀盘的三维模型和有限1盾构刀盘有限元计算模型的建立元模型.1.1刀盘结构分析该盾构刀盘由6根辐条和6块面板组成,6根辐条互成60°分布,辐
5、条间采用辅梁连接,辅梁同时起到连接面板的作用,辐条两边装有刮刀,辐条上可安装齿刀或者盘形滚刀,以满足不同地层的需要,刀盘整体开口率为28%,中心有较大的图1刀盘的三维模型开口率,可有效地避免“泥饼”的产生.该刀盘具Fig.1Three-dimensional体技术参数为:刀盘切削直径为6280mm,刀盘Modelofcutterhead厚度为450mm,刀盘的整体高度为1415mm.收稿日期:2009-01-10;修订日期:2009-04-07基金项目:国家重点基础研究发展计划资助项目(973计划,2007CB714002),中南大学博士后基金项
6、目(743410151)作者简介:夏毅敏(1967-),男,江西永新人,中南大学教授,主要从事液压传动与控制,机械设计理论和方法.第3期夏毅敏等某型土压平衡盾构刀盘有限元分析71图2刀盘有限元模型Fig.2Finiteelementmodelofcutter-head1.3有限元网格的划分所分析的盾构刀盘材料为45Mn钢,密度为37800kg/m,弹性模量为209GPa,泊松比为0.3.根据盾构刀盘的特点,确定采用三维实体网格,选用ANSYS提供的SOLID92单元对实体进行自由网格划分,图3为盾构刀盘的有限元网格模型,该有限元模型共有24876
7、9个单元,432467个节点.图3刀盘有限元网格模型Fig.3Finiteelementmodelofcutterheaduiujumupe{δ}=vivjvmvp(1)2盾构刀盘的结构应力分析wiwjwmwp[6-7]2.1有限元应力计算理论假设单元足够小,单元内各节点位移可以近似地有限单元法的思想是假想把连续体分割成数表示如下:目有限的小块体积,彼此间只在数目有限的指定u=α1+α2x+α3y+α4z(2)点处相互连结,组成一个集合体代替原来的连续v=α5+α6x+α7y+α8z(3)体;又在结点上引进等效力代替实际作用于单元w=α9+α10
8、x+α11y+α12z(4)的外力.其次对于每个单元根据分块近似的思想,假设其结点坐标分别为(xi,yi,zi)、(xj,yj,zj)、
