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盾構掘進機是一種用于隧道暗挖施工，使隧道一次成形的機械，在地下開挖中會遇到各種不同地層，從淤泥、粘土、砂層到軟巖及硬巖等，刀盤受力復雜，工作環(huán)境惡劣。刀盤的結構關系到盾構工程的成敗、開挖效率、使用壽命及刀具費用。盾構的刀盤結構形式與工程地質情況有著密切的關系，不同的地層應采用不同的刀盤結構形式，盾構刀盤設計是盾構的關鍵技術。刀盤的結構形式有面板式和輻條式兩種，具體應用時應根據(jù)施工條件和土質條件等因素決定。泥水盾構采用面板式刀盤，土壓平衡盾構根據(jù)土質條件可采用面板式或輻條式。研究將對大直徑泥水盾構刀盤整體結構進行有限元強度分析計算，校核結構是否滿足強度要求。對于不滿足強度要求的構件，根據(jù)計算結果提出結構設計修改方案，使其滿足強度要求。
結構尺寸來自設計方案圖紙，在結構形式上，該泥水刀盤采用的是面板式箱形結構。面板外徑為11.21m，開挖直徑為11.24m，刀盤本體厚為0.5m。刀盤前后面板為40mm的Q235鋼板，大圓環(huán)鋼板厚度為90mm，小圓環(huán)鋼板厚度為120mm。結構設計方案采用的是分塊制作，現(xiàn)場拼接方式。計算時不考慮結構的分塊，采用整體建模分析。結構強度分析最關鍵的一步是邊界條件的確定，因為如果輸入的邊界條件不正確，后面的計算過程與結果將毫無意義。結構邊界條件的確定需要設計人員對結構的使用工況進行充分了解并結合實際經(jīng)驗確定。
采用三維建模軟件Pro/E建立刀盤的三維模型，然后將此模型導入到ANSYS workbench中進行有限元分析。在刀盤有限元建模過程中，對刀盤的結構進行部分簡化，去除刀盤背面板法蘭面上的連接螺栓孔和2個檢查管路的檢查窗。為了便于施加邊界條件，在法蘭面上連接牛腿的部位增加了一塊厚度為50mm的鋼板用于施加位移邊界條件。完成后的刀盤實體模型如圖所示，采用程序自動控制實體模型的網(wǎng)格剖分，單元的最大尺寸為100mm，計算中材料的彈性模量和泊松比分別為：E=2.1xe5MPa，u=0.3。網(wǎng)格劃分后的有限元模型如圖所示。
泥水盾構刀盤的受載條件和同直徑的土壓平衡盾構刀盤相比相對較好，所承受的推力和轉矩較小。計算擬考慮均質地層和軟硬不均地層兩種工況，根據(jù)在相似地層中的掘進參數(shù)，均質地層情況下刀盤的最大驅動轉矩為1500kN.m，設備總推力最大為32000kN左右，除去盾體的摩擦力，作用在刀盤上的推力在10000kN左右。不均段刀盤的驅動轉矩為7000kN.m，設備總推力為40000kN左右，泥水倉底部壓力為0.3MPa左右。計算時將推力施加到前面板上，在法蘭面的牛腿位置約束結構的軸向和豎向位移。刀盤的驅動轉矩施加在法蘭面上，在刀盤大圓環(huán)的外表面約束結構的切向位移，約束此處的切向位移對結構偏于安全。
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