盾构刀盘的数值模拟.pdf

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1、研究与分析·机械研究与应用·盾构刀盘的数值模拟王日启，岳澄，王燕群，李娟(1．天津大学机械工程学院，天津300072；2．天津市道路桥梁管理处，天津300171)摘要：盾构法是一项复杂的技术，在隧道施工中，通过位于盾构机最前端刀盘上刀具对前方的土体进行切削来完成掘进开挖的任务，因此盾构刀盘的强度设计十分重要。利用有限元软件ANSYS建立了盾构刀盘和刀具的有限元模型进行数值模拟，模拟了在不同工况及不同设计方案下刀盘和刀具的受力状态，包括：改变刀盘钢板的厚度、改变刀盘和牛腿之间的夹角以及在刀盘上施加偏载等。通过以上情

2、况的模拟为盾构刀盘刀具优化结构设计提供参考依据。关键词：ANSYS；盾构；刀盘刀具；数值模拟中图分类号：TG71文献标识码：A文章编号：1006—4414(2010)01—0028一o2NumericalsimulationofshieldcutterheadWangYue—qi，YueCheng，WangYan—qun，LiJuan‘(1．SchoolofmechanicalengineeringofTianjinunwemity，Tianjin300072，China；2．Tianjinroadandbrid

3、gemanagementadministrationdepartment，Tianjin300171，China)Abstract：Shieldisacomplextechnology，intheprocessoftunnelconstruction，throughtheshieldmachineislocatedatthefrontofshieldmachineforcuttingsoiltocompletethetaskoftunnelingandexcavation，SOthestrengthdesigno

4、fshieldcutterheadisveryimportant．ThefiniteelementmodelofcutterheadandcutterusingthefiniteelementsoftwareANSYSisestab—fished．andalsosetastaticnumericalsimulationofcutterhead．Thestressinthecu~erheadandcutterissimulatedindifier．entconditionsanddiferentdesignopti

5、ons，suchaschangethethicknessofcutterhead，changetheangleofcutterheadandcorbelsandalsothecutterheadisimposedonthepa~ialload，whichwilloptimizethestructureofcutterhead．Keywords：ANSYS；shield；cutterheadandcutter；numericalsimulation1引言盾构机在挖掘过程中会遇到各种不同的地层，刀盘刀具的受力十分复杂

6、，用试验的方法难以去实现这个过程，并且经验公式和理论推导也难以全面准确的反应问题。因此，建立盾构的三维有限元分析模型是研究的发展趋势¨叫J。三维有限元模拟方法在AN—SYS10．0中实现。首先建立了刀盘和刀具的有限图1刀盘与刀具模型图2刀盘与刀具模型元模型，之后在刀盘和刀具上施加荷载，最后分析刀(安装刀具面)(法兰盘面)盘和刀具所受应力的变化状况。2刀盘刀具模型的建立2．1单元与模型尺寸刀盘和刀具采用SOLID45单元，该单元为三维实体结构八节点单元，每个节点有三个自由度，分别沿着三个坐标轴的方向，即UX，UY，

7、UZ。此单元可以进行塑性、蠕变、应力硬化、大变形以及大应变分析。图3刀盘与刀具的网格图4刀盘与刀具局部网格图刀盘的直径为6．3m，厚度为0．5m；牛腿的直径为0．42m；法兰盘的直径为2．5m，厚度为0．18m(模2．2荷载与边界条件型尺寸为设计单位提供的数据)。单元总数约为4O刀盘受到的载荷主要是推力和扭矩。设计最大万个。所建立的模型与划分的单元如图1～4所示。推力值为18000kN，最大扭矩值为5000kN·m。在·项目：国家重点基础研究发展计划(2007CB714002)，国家863项目(2007AA041

8、804)收稿日期：2009—11—01作者简介：手日启(1984一)，天津人，硕士研究生，助理工程师，主要从事桥梁检及数值模拟。·28·研穷与分析·机械研究与应用·刀盘的数值计算中，所施加的载荷，推力以均布荷载计算与施工过程中的偏载状态，确定施工过程中的安的方式施加在刀盘面上。通过计算刀盘与土接触的全性。此时推力的最大值为3000kN，刀盘的面积减面积得到均布荷载值，其值