【摘 要】
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随着隧道工程建设在当今社会的高速发展,全断面硬岩隧道掘进机（Full face rock tunnel boring machine,TBM）隧道施工法已经成为当代地下工程建设最主要的施工法之一。TBM在施工掘进过程中,刀盘盘体与岩石直接作用,由于破岩方式的原因,刀盘会产生强烈振动,极易发生疲劳损坏。刀盘系统是TBM破岩时的最关键部件,其维修和更换不仅费用高而且周期长,因此有效分析其疲劳寿命对于工
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随着隧道工程建设在当今社会的高速发展,全断面硬岩隧道掘进机（Full face rock tunnel boring machine,TBM）隧道施工法已经成为当代地下工程建设最主要的施工法之一。TBM在施工掘进过程中,刀盘盘体与岩石直接作用,由于破岩方式的原因,刀盘会产生强烈振动,极易发生疲劳损坏。刀盘系统是TBM破岩时的最关键部件,其维修和更换不仅费用高而且周期长,因此有效分析其疲劳寿命对于工程降本及提高施工效率具有积极作用。工程研究表明TBM刀盘典型结构-刀座裂纹的产生是导致TBM刀盘结构失效的一种最常见的方式。为了研究分析TBM刀座结构的疲劳寿命,本文主要研究内容如下:（1）TBM刀座有限元分析:首先分析疲劳损伤机理和主流的焊接结构疲劳寿命分析方法,然后建立了TBM刀盘含焊缝典型结构-刀座的模型,并对刀座模型进行了相应的有限元分析。（2）基于等效结构应力的TBM刀座疲劳寿命分析:结合有限元分析解和试验载荷历程,可以获得动应力载荷时间历程,接下来使用验证了网格不敏感性的Verity法和传统的名义应力法计算了模型的疲劳寿命,分析了沿刀盘径向不同位置载荷对刀座疲劳寿命的影响以及三向载荷对疲劳结果的影响。（3）非线性疲劳损伤模型研究:针对当前主流疲劳寿命的分析方法都是基于线性损伤累积准则进行的情况,本文对有关疲劳非线性疲劳累积损伤模型进行了专门的研究推导,得到了单轴非线性损伤累积模型、多轴成比例非线性累积损伤模型和多轴任意载荷非线性累积损伤模型,并使用得到的单轴非线性模型对刀座模型进行了疲劳寿命分析。结果表明TBM刀盘中心滚刀载荷计算得到的刀座疲劳寿命较高,其余位置载荷计算得到的刀座整体疲劳寿命较低,且随着载荷所处位置径向距离的减小,对应得到的刀座疲劳寿命也在下降;三向载荷中侧向力造成的疲劳损伤远大于正推力和滚动力;非线性疲劳损伤由于考虑了载荷间相互作用造成的损伤,计算得到的疲劳寿命考虑的因素更多。上述计算结果可以为TBM刀盘设计可以提供有效参考。
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