刀盘是盾构机掘进的关键部件,刀盘结构的合理设计是盾构机顺利掘进的重要保障。实际工程中,盾构刀盘因设计原因使得刀盘质量过大且结构空间不足,造成换刀困难、刀盘中心结泥饼等施工难题,最终导致盾构停机而延误工期,造成经济损失。此外,盾构机刀盘属于大型焊接结构,在其工作过程中,刀盘焊缝开裂是其主要失效形式之一,刀盘焊接质量的好坏直接决定了其使用性能和寿命。基于此,在满足刀盘强度、刚度的条件下,本文针对刀盘的结构进行优化设计研究,同时对刀盘的关键焊接部位进行焊接数值模拟分析,主要工作内容及结果如下:1.基于实际盾构工程,建立了盾构刀盘在不同工况下的受载荷数学模型;应用Ansys Workbench对盾构刀盘在不同工况下进行了静力学仿真分析,得出了刀盘工作过程中的最危险工况为最大推力工况;建立了以Q690为刀盘骨架材料的刀盘有限元模型,并基于静力学仿真分析了其与原刀盘(Q345C)在强度、刚度方面的富余量,综合对比发现,以Q690为刀盘骨架材料的高强钢盾构刀盘具有更大的“优化潜力”。2.建立了高强钢刀盘优化数学模型,并对所选设计变量进行了最优拉丁超立方试验设计,建立了代替刀盘有限元模型的径向基神经网络模型,采用多岛遗传算法对高强钢刀盘进行了优化设计,优化后的刀盘质量减少了约14.2%,开口率由原来的35%增大至约40%,中心开口率相比原来增大约8.6%。3.针对优化后的高强钢刀盘分别进行了模态分析和谐响应分析,验证其动态特性;基于Isight软件建立了刀盘近似模型,考虑材料性能变化和载荷波动情况,分别采用一阶可靠性方法、二阶可靠性方法、蒙特卡洛方法,对优化后的高强钢刀盘结构进行了可靠度计算,结果表明刀盘的可靠度满足要求。4.介绍了焊接数值模拟的基本有限元理论和采用Ansys计算焊接热应力的研究方法;建立了刀盘关键焊接部位的有限元模型;计算了焊接温度场、应力应变场的分布;讨论了不同预热条件对焊接温度场、应力应变场的影响,结果表明整体上不同预热条件下同一时刻的温度场分布形式非常相似,不同之处在于不同预热条件下,同一时刻的温度带分布范围有所不同;无论是焊接过程还是冷却过程,初始预热温度越高,同一时刻的最高温度也越高;对比四种条件下的冷却过程,预热温度为200℃时t8/5的时间最长,即在该条件下对焊接冷裂纹的控制效果最好;相比无预热条件,在预热条件下整体节点的等效焊接应力值有明显降低,其中预热温度为200℃时,焊接应力峰值最小;预热条件下随着预热温度的升高,焊接应变峰值降低,其中预热温度为200℃时焊接应变峰值最低为0.708mm。5.计算了包含焊接残余应力的焊接结构在外载荷作用下的应力分布,结果显示在含有焊接残余应力条件下,施加推力载荷后云腿的总体等效应力为599MPa,而云腿在未考虑焊接残余应力时最大推力工况下的最大等效应力为334.25MPa,明显低于考虑焊接残余应力时的最大等效应力值。同时施加外载荷后,相较于焊接残余应力,云腿在各个方向受到的压应力均有所减小,而拉应力均有所增加。由此可知焊接残余应力对结构受力具有显著地影响。