盾构掘进机是一种用于隧道暗挖施工，使隧道一次成形的机械，在地下开挖中会遇到各种不同地层，从淤泥、粘土、砂层到软岩及硬岩等，刀盘受力复杂，工作环境恶劣。刀盘的结构关系到盾构工程的成败、开挖效率、使用寿命及刀具费用。盾构的刀盘结构形式与工程地质情况有着密切的关系，不同的地层应采用不同的刀盘结构形式，盾构刀盘设计是盾构的关键技术。刀盘的结构形式有面板式和辐条式两种，具体应用时应根据施工条件和土质条件等因素决定。泥水盾构采用面板式刀盘，土压平衡盾构根据土质条件可采用面板式或辐条式。研究将对大直径泥水盾构刀盘整体结构进行有限元强度分析计算，校核结构是否满足强度要求。对于不满足强度要求的构件，根据计算结果提出结构设计修改方案，使其满足强度要求。
      结构尺寸来自设计方案图纸，在结构形式上，该泥水刀盘采用的是面板式箱形结构。面板外径为11.21m，开挖直径为11.24m，刀盘本体厚为0.5m。刀盘前后面板为40mm的Q235钢板，大圆环钢板厚度为90mm，小圆环钢板厚度为120mm。结构设计方案采用的是分块制作，现场拼接方式。计算时不考虑结构的分块，采用整体建模分析。结构强度分析最关键的一步是边界条件的确定，因为如果输入的边界条件不正确，后面的计算过程与结果将毫无意义。结构边界条件的确定需要设计人员对结构的使用工况进行充分了解并结合实际经验确定。
      采用三维建模软件Pro/E建立刀盘的三维模型，然后将此模型导入到ANSYS workbench中进行有限元分析。在刀盘有限元建模过程中，对刀盘的结构进行部分简化，去除刀盘背面板法兰面上的连接螺栓孔和2个检查管路的检查窗。为了便于施加边界条件，在法兰面上连接牛腿的部位增加了一块厚度为50mm的钢板用于施加位移边界条件。完成后的刀盘实体模型如图所示，采用程序自动控制实体模型的网格剖分，单元的最大尺寸为100mm，计算中材料的弹性模量和泊松比分别为：E=2.1xe5MPa，u=0.3。网格划分后的有限元模型如图所示。
      泥水盾构刀盘的受载条件和同直径的土压平衡盾构刀盘相比相对较好，所承受的推力和转矩较小。计算拟考虑均质地层和软硬不均地层两种工况，根据在相似地层中的掘进参数，均质地层情况下刀盘的最大驱动转矩为1500kN.m，设备总推力最大为32000kN左右，除去盾体的摩擦力，作用在刀盘上的推力在10000kN左右。不均段刀盘的驱动转矩为7000kN.m，设备总推力为40000kN左右，泥水仓底部压力为0.3MPa左右。计算时将推力施加到前面板上，在法兰面的牛腿位置约束结构的轴向和竖向位移。刀盘的驱动转矩施加在法兰面上，在刀盘大圆环的外表面约束结构的切向位移，约束此处的切向位移对结构偏于安全。

                                                                                  专业从事机械产品设计│有限元分析│强度分析│结构优化│技术服务与解决方案
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