盾構(gòu)刀盤的結(jié)構(gòu)優(yōu)化分析

楊泊

（中鐵建大橋工程局集團第二工程有限公司，廣東 深圳 518083）

盾構(gòu)刀盤的結(jié)構(gòu)優(yōu)化分析

Analysis of structure optimization for Shield cutterhead

楊泊

（中鐵建大橋工程局集團第二工程有限公司，廣東 深圳 518083）

隨著經(jīng)濟的不斷發(fā)展，我國的城市地下管網(wǎng)以及隧道工程也取得了長足的進步。盾構(gòu)機作為非常重要的施工設(shè)備被廣泛使用。經(jīng)驗證明，只有對盾構(gòu)機刀盤進行有限元結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計，才能很好的確保盾構(gòu)機在施工過程中的強度與剛度。文章具體介紹了盾構(gòu)機刀盤的結(jié)構(gòu)特點、對盾構(gòu)機主體結(jié)構(gòu)進行有限元的分析以及如何對盾構(gòu)機刀盤進行優(yōu)化設(shè)計，具有深遠的意義。

盾構(gòu)機刀盤；結(jié)構(gòu)；優(yōu)化設(shè)計；有限元

盾構(gòu)機通過對盾構(gòu)土倉的壓力大小進行控制，以確保對隧道的挖掘面進行穩(wěn)定以及降低對周圍地基的擾動。經(jīng)驗表明，只有根據(jù)實際的情況對刀盤的原本的形式與配置進行改變，并且實施一定的方法對地質(zhì)條件進行改變，這樣的話，盾構(gòu)機就可以施工于更多的工程地質(zhì)。

1 盾構(gòu)機刀盤的結(jié)構(gòu)特點

依據(jù)隧道工程地質(zhì)的情況不相同，可以把盾構(gòu)刀盤的形式分為三種類型，主要包括：輻條式、面板式以及輻板式。在這些形式中，最為典型的焊接結(jié)構(gòu)件就是輻板式的刀盤，如土壓平衡式的盾構(gòu)刀盤，它的結(jié)構(gòu)主體除了不同種類的刀具以外還包括其他六個部分。圖1為盾構(gòu)機刀盤結(jié)構(gòu)圖。

根據(jù)圖1可知，輻條的結(jié)構(gòu)主要是管狀的，主要是負責給先行刀還有其他刀具安裝切片，承受著不同的切削土壤時的切削力，與此同時，還承受著水土的壓力；輻板作為箱體結(jié)構(gòu)主要是用于保持開挖面的穩(wěn)定，承受的主要壓力作用是刀盤對開挖面的推力以及盾構(gòu)土艙內(nèi)的壓力；圖中輪緣、中心圈以及支撐環(huán)的主要作用是增加盾構(gòu)機刀盤的強度以及剛度通過對副調(diào)和副板進行連接的方式；牛腿作為扭矩與推力的主要的傳輸部分主要作用是將盾構(gòu)機刀盤與主軸承相連接。

圖1 盾構(gòu)機刀盤結(jié)構(gòu)圖

2 盾構(gòu)機刀盤主體結(jié)構(gòu)的有限元分析

2.1 建立盾構(gòu)刀盤有限元模型

在建立盾構(gòu)機刀盤的有限元模型時，要遵循一定的步驟，掌握一定的方法。建立刀盤有限元模型，最開始要建立盾構(gòu)機刀盤的實體模型，這個過程要在三維設(shè)計軟件中實現(xiàn)。與此同時，可以省去一系列倒角以及細微的間隙來保證分析計算的可行性。因為盾構(gòu)機刀盤的剛度和強度受道刀具的影響不大，所以就可以在建立盾構(gòu)機刀盤有限元模型的過程中將道具給省略不計。通過對有限元分析軟件的使用，要對它進行一定的網(wǎng)格劃分，利用四面體四節(jié)點C3D4來進行，劃分之后的網(wǎng)格大約有47 228個單元以及18 573個節(jié)點。圖2為簡化之后的盾構(gòu)機刀盤實體模型，圖3為盾構(gòu)機刀盤主體結(jié)構(gòu)有限元模型的網(wǎng)格。

圖2 簡化之后的盾構(gòu)機刀盤實體模型

圖3 盾構(gòu)機刀盤主體結(jié)構(gòu)有限元模型的網(wǎng)格

2.2 加載盾構(gòu)機刀盤的有限元模型

盾構(gòu)機的刀盤在隧道工程施工過程中發(fā)揮的主要作用是自身進行回轉(zhuǎn)運動以及軸向的推進運動，因為刀盤自身的回轉(zhuǎn)速度與軸向的推進速度都比較的緩慢，所以，對盾構(gòu)機刀盤的應(yīng)力分析可以通過靜態(tài)分析進行。

（1）盾構(gòu)機刀盤荷載的構(gòu)成。表一為計算盾構(gòu)機刀盤荷載的時候選擇的相關(guān)的參數(shù)值。

（2）盾構(gòu)機刀盤約束和荷載有限元模型的方式。盾構(gòu)機刀盤在前面板以及側(cè)板上均勻的施加推力荷載；盾構(gòu)機刀盤在盾構(gòu)機刀盤的面板以及側(cè)板卻全部單元格的耦合節(jié)點上加載旋轉(zhuǎn)扭矩；總而言之，不管是前面板還是側(cè)板，盾構(gòu)機刀盤都會在上面均勻的施加推力載荷。

（3）對盾構(gòu)機刀盤有限元仿真結(jié)果進行分析。結(jié)構(gòu)分析做為有限元方法最為廣泛的應(yīng)用，它進行計算主要的出的就是節(jié)點位移，然后通過節(jié)點位移導(dǎo)出其他的應(yīng)變、反應(yīng)力等。這個研究主要是李永樂有限元的分析軟件，通過有限元軟件進行計算，然后得出盾構(gòu)機刀盤的主體結(jié)構(gòu)在摸你的荷載的作用下會出現(xiàn)什么樣的應(yīng)力應(yīng)變的結(jié)果。

有限元分析結(jié)果還表明，盾構(gòu)機刀盤逐漸呈現(xiàn)出從中心到邊緣變大的趨勢，這個結(jié)果跟之前的預(yù)期是相同的。具體的變形行是盾構(gòu)機刀盤的最外緣出席拿了最大化的變形，變形大小約為0.69 mm，盾構(gòu)機刀盤的剛度比較滿足設(shè)計的要求。

3 如何對盾構(gòu)機刀盤進行優(yōu)化設(shè)計

（1）優(yōu)化參數(shù)和目標。盾構(gòu)機刀盤的結(jié)構(gòu)很是復(fù)雜，所以要綜合的對各種因素進行考慮，分析他們對的盾構(gòu)機刀盤的影響以及對運行的速度進行一定的計算。在設(shè)計中，要選擇盾構(gòu)機刀盤的前板厚度與后板的厚度作為變量輸入。而目標函數(shù)要選擇最大等效應(yīng)力、盾構(gòu)機刀盤質(zhì)量以及總變形等。

（2）優(yōu)化盾構(gòu)機刀盤的參數(shù)。盾構(gòu)機刀盤應(yīng)輸入的參數(shù)為前面板的厚度上限82.5 mm和下限67.5 mm，后面板的厚度為上限79.2 mm，目標函數(shù)是讓位移、質(zhì)量和應(yīng)力在同一時間達到最小化。盾構(gòu)機刀盤的設(shè)計要求具體是：盡量的減小刀盤的重量；設(shè)計的變量要采用連續(xù)的變量；根據(jù)輸入的參數(shù)生成九組設(shè)計點。

（3）優(yōu)化參數(shù)的結(jié)果。當目標函數(shù)以及設(shè)計變量都符合要求之后，要想較快的得到理想的優(yōu)化結(jié)果，可以使用ave環(huán)境的gdo方法。當?shù)贸鰞?yōu)化結(jié)果后，還需要對目標函數(shù)設(shè)置有限的級別，其他的參數(shù)都設(shè)置為默認即可。

4 結(jié)語

總而言之，隨著我國經(jīng)濟的不斷發(fā)展，盾構(gòu)機會在隧道等工程中大量的使用，要想加強隧道工程的建設(shè)質(zhì)量以及提高隧道工程等的建設(shè)效率，就要對盾構(gòu)機刀盤的主體結(jié)構(gòu)進行有限元優(yōu)化設(shè)計，提高盾構(gòu)機刀盤的工作能力，促進我國建筑業(yè)的發(fā)展以及我國經(jīng)濟的不斷進步。

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U455

1009-797X (2015) 24-0208-03

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10.13520/j.cnki.rpte.2015.24.085

楊泊（1983-），男，畢業(yè)于西南交通大學(xué)，從事工作為市政工程地鐵施工，研究方向為盾構(gòu)機在盾構(gòu)施工中的應(yīng)用。

2015-11-24