盾构刀盘的结构优化分析

杨泊

（中铁建大桥工程局集团第二工程有限公司，广东 深圳 518083）

盾构刀盘的结构优化分析

Analysis of structure optimization for Shield cutterhead

杨泊

（中铁建大桥工程局集团第二工程有限公司，广东 深圳 518083）

随着经济的不断发展，我国的城市地下管网以及隧道工程也取得了长足的进步。盾构机作为非常重要的施工设备被广泛使用。经验证明，只有对盾构机刀盘进行有限元结构优化设计，才能很好的确保盾构机在施工过程中的强度与刚度。文章具体介绍了盾构机刀盘的结构特点、对盾构机主体结构进行有限元的分析以及如何对盾构机刀盘进行优化设计，具有深远的意义。

盾构机刀盘；结构；优化设计；有限元

盾构机通过对盾构土仓的压力大小进行控制，以确保对隧道的挖掘面进行稳定以及降低对周围地基的扰动。经验表明，只有根据实际的情况对刀盘的原本的形式与配置进行改变，并且实施一定的方法对地质条件进行改变，这样的话，盾构机就可以施工于更多的工程地质。

1 盾构机刀盘的结构特点

依据隧道工程地质的情况不相同，可以把盾构刀盘的形式分为三种类型，主要包括：辐条式、面板式以及辐板式。在这些形式中，最为典型的焊接结构件就是辐板式的刀盘，如土压平衡式的盾构刀盘，它的结构主体除了不同种类的刀具以外还包括其他六个部分。图1为盾构机刀盘结构图。

根据图1可知，辐条的结构主要是管状的，主要是负责给先行刀还有其他刀具安装切片，承受着不同的切削土壤时的切削力，与此同时，还承受着水土的压力；辐板作为箱体结构主要是用于保持开挖面的稳定，承受的主要压力作用是刀盘对开挖面的推力以及盾构土舱内的压力；图中轮缘、中心圈以及支撑环的主要作用是增加盾构机刀盘的强度以及刚度通过对副调和副板进行连接的方式；牛腿作为扭矩与推力的主要的传输部分主要作用是将盾构机刀盘与主轴承相连接。

图1 盾构机刀盘结构图

2 盾构机刀盘主体结构的有限元分析

2.1 建立盾构刀盘有限元模型

在建立盾构机刀盘的有限元模型时，要遵循一定的步骤，掌握一定的方法。建立刀盘有限元模型，最开始要建立盾构机刀盘的实体模型，这个过程要在三维设计软件中实现。与此同时，可以省去一系列倒角以及细微的间隙来保证分析计算的可行性。因为盾构机刀盘的刚度和强度受道刀具的影响不大，所以就可以在建立盾构机刀盘有限元模型的过程中将道具给省略不计。通过对有限元分析软件的使用，要对它进行一定的网格划分，利用四面体四节点C3D4来进行，划分之后的网格大约有47 228个单元以及18 573个节点。图2为简化之后的盾构机刀盘实体模型，图3为盾构机刀盘主体结构有限元模型的网格。

图2 简化之后的盾构机刀盘实体模型

图3 盾构机刀盘主体结构有限元模型的网格

2.2 加载盾构机刀盘的有限元模型

盾构机的刀盘在隧道工程施工过程中发挥的主要作用是自身进行回转运动以及轴向的推进运动，因为刀盘自身的回转速度与轴向的推进速度都比较的缓慢，所以，对盾构机刀盘的应力分析可以通过静态分析进行。

（1）盾构机刀盘荷载的构成。表一为计算盾构机刀盘荷载的时候选择的相关的参数值。

（2）盾构机刀盘约束和荷载有限元模型的方式。盾构机刀盘在前面板以及侧板上均匀的施加推力荷载；盾构机刀盘在盾构机刀盘的面板以及侧板却全部单元格的耦合节点上加载旋转扭矩；总而言之，不管是前面板还是侧板，盾构机刀盘都会在上面均匀的施加推力载荷。

（3）对盾构机刀盘有限元仿真结果进行分析。结构分析做为有限元方法最为广泛的应用，它进行计算主要的出的就是节点位移，然后通过节点位移导出其他的应变、反应力等。这个研究主要是李永乐有限元的分析软件，通过有限元软件进行计算，然后得出盾构机刀盘的主体结构在摸你的荷载的作用下会出现什么样的应力应变的结果。

有限元分析结果还表明，盾构机刀盘逐渐呈现出从中心到边缘变大的趋势，这个结果跟之前的预期是相同的。具体的变形行是盾构机刀盘的最外缘出席拿了最大化的变形，变形大小约为0.69 mm，盾构机刀盘的刚度比较满足设计的要求。

3 如何对盾构机刀盘进行优化设计

（1）优化参数和目标。盾构机刀盘的结构很是复杂，所以要综合的对各种因素进行考虑，分析他们对的盾构机刀盘的影响以及对运行的速度进行一定的计算。在设计中，要选择盾构机刀盘的前板厚度与后板的厚度作为变量输入。而目标函数要选择最大等效应力、盾构机刀盘质量以及总变形等。

（2）优化盾构机刀盘的参数。盾构机刀盘应输入的参数为前面板的厚度上限82.5 mm和下限67.5 mm，后面板的厚度为上限79.2 mm，目标函数是让位移、质量和应力在同一时间达到最小化。盾构机刀盘的设计要求具体是：尽量的减小刀盘的重量；设计的变量要采用连续的变量；根据输入的参数生成九组设计点。

（3）优化参数的结果。当目标函数以及设计变量都符合要求之后，要想较快的得到理想的优化结果，可以使用ave环境的gdo方法。当得出优化结果后，还需要对目标函数设置有限的级别，其他的参数都设置为默认即可。

4 结语

总而言之，随着我国经济的不断发展，盾构机会在隧道等工程中大量的使用，要想加强隧道工程的建设质量以及提高隧道工程等的建设效率，就要对盾构机刀盘的主体结构进行有限元优化设计，提高盾构机刀盘的工作能力，促进我国建筑业的发展以及我国经济的不断进步。

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U455

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

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10.13520/j.cnki.rpte.2015.24.085

杨泊（1983-），男，毕业于西南交通大学，从事工作为市政工程地铁施工，研究方向为盾构机在盾构施工中的应用。

2015-11-24