一种刀盘疲劳寿命预测方法及其应用技术

本发明专利技术涉及刀盘的结构分析技术领域，提出了一种刀盘疲劳寿命预测方法，包括以下步骤，确定刀盘结构；对刀盘进行有限元分析；确定刀盘的损伤容限；获得合成载荷谱和雨流计数矩阵；建立刀盘结构的疲劳裂纹扩展寿命预测模型，计算疲劳裂纹扩展寿命。针对刀盘在含裂纹情况下的疲劳裂纹扩展和可靠性问题，建立了掘进机刀盘的有限元模型，计算出刀盘的疲劳损伤容限值，计算疲劳裂纹扩展寿命，可以将刀盘裂纹分析到0.5mm精度，为刀盘结构的裂纹检测、寿命预测和可靠性评估提供了科学依据。

【技术实现步骤摘要】
一种刀盘疲劳寿命预测方法及其应用
本专利技术涉及刀盘的结构分析
，特别是一种刀盘疲劳寿命预测方法及其应用。
技术介绍
全断面隧道掘进机(FullFaceTunnelBoringMachine，TBM)是一种靠旋转并推进刀盘，通过盘形滚刀破碎岩石而使隧洞全断面一次成形的机器。由于具有安全、高效、快速的施工特点，在各种隧道施工中得到了广泛应用，并已成为未来的发展趋势。刀盘为隧道掘进机的关键部件之一，安装于掘进机的最前端，为大型金属结构，通常是针对某个特定工程，在某些标准约束下制作完成的零部件，承担着隧道开挖、支撑掌子面和出渣等作用，其可靠性至关重要。刀盘在工作过程中受到来自驱动系统的巨大推进力和旋转扭矩，同时在和掌子面岩石作用时还受到较大的冲击和振动，载荷复杂。在掘进过程中刀盘会出现磨损、局部开裂、温升过高等问题，其中磨损和温升过高可以通过在刀盘表面加装耐磨板和喷淋系统，通过人工检修和严格控制施工工艺来保证施工安全。刀盘裂纹一般通过无损探伤检测，在隧道施工中操作不便，也不易发现，但是在交变载荷作用下刀盘裂纹会逐渐扩展，轻则导致掘进机停工修复，本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种刀盘疲劳寿命预测方法，其特征在于，所述方法包括以下步骤，/nA、确定刀盘结构：刀盘结构为中方五分式结构，中心块和分体块连接成一个整体，刀盘面板上装有盘形滚刀，刀盘周围布置有出渣槽；/nB、对刀盘进行有限元分析：利用有限元方法建立刀盘的有限元模型，分析得出，刀盘的疲劳裂纹扩展的三个危险部位分别为刀盘分体面结合处、刀盘分块最大变形处和刀盘中心刀座处；/nC、确定刀盘的损伤容限：对刀盘进行瞬态动力学分析，得出刀盘最大应力值，然后根据断裂准则，计算出刀盘的疲劳损伤容限值，确定裂纹初始深度；/nD、获得合成载荷谱和雨流计数矩阵：在疲劳损伤容限值和裂纹初始深度一定的情况下，对不同工况、不同温度下掘...

【技术特征摘要】
1.一种刀盘疲劳寿命预测方法，其特征在于，所述方法包括以下步骤，
A、确定刀盘结构：刀盘结构为中方五分式结构，中心块和分体块连接成一个整体，刀盘面板上装有盘形滚刀，刀盘周围布置有出渣槽；
B、对刀盘进行有限元分析：利用有限元方法建立刀盘的有限元模型，分析得出，刀盘的疲劳裂纹扩展的三个危险部位分别为刀盘分体面结合处、刀盘分块最大变形处和刀盘中心刀座处；
C、确定刀盘的损伤容限：对刀盘进行瞬态动力学分析，得出刀盘最大应力值，然后根据断裂准则，计算出刀盘的疲劳损伤容限值，确定裂纹初始深度；
D、获得合成载荷谱和雨流计数矩阵：在疲劳损伤容限值和裂纹初始深度一定的情况下，对不同工况、不同温度下掘进机刀盘的载荷谱进行合成，编制matlab程序，对载荷序列进行数据处理，对得到的载荷序列进行雨流计数，得到刀盘三个危险部位的合成载荷谱和雨流计数矩阵；
E、建立刀盘结构的疲劳裂纹扩展寿命预测模型，计算疲劳裂纹扩展寿命：疲劳裂纹扩展寿命da/dN的表达式为，
da/dN＝F(C，m，Δσ，ΔKth，a)
＝C(ΔKeff)m
＝C(ΔK-ΔKth)m






R＝σmin/σmax
上式中，σy为材料的屈服强度，σmax为循环最大应力，σmin为循环最小应力，R为应力比，a为裂纹深度，ΔKth为裂纹门槛值，通过实验或者参考文献确定。


2.根据权利要求1所述的一种刀盘疲劳寿命预测方法，其特征在于，在步骤A中，刀盘直径为Φ7930mm，刀盘面板上共装有49把17英寸单刃盘形滚刀，4把17英寸双刃盘形滚刀，根据分布位置不同盘形滚刀分为正面滚刀和边滚刀。


3.根据权利要求1所述的一种刀盘疲劳寿命预测方法，其特征在于，在步骤B中，利用ANSYS软件对刀盘进行有限元静力分析，得出有限元分析的应力和变形结果，通过对该结果和已有的施工工程TBM刀盘进行统计得到的数据综合分析后得出，刀盘的疲劳裂纹扩展的三个危险部位。


4.根据权利要求1所述的一种刀盘疲劳寿命预测方法，其特征在于，在步骤C中，根据断裂准则可知，临界裂纹尺寸即刀盘裂纹深度方向损伤容限值ac的计算方法如下面的式(1)所示：



式(1)中，α为裂纹形状系数，取1；n为安全系数，取2；σmax代表刀盘结构最大应力值(MPa)；KIC为刀盘的断裂韧度；
对刀盘进行瞬态动力学分析，得到刀盘瞬态响应的载荷幅值，根据载荷幅值得出最大应力值，根据式(1)得出刀盘裂纹深度方...

【专利技术属性】
技术研发人员：李杰，张斌，张鑫，郭京波，郝如江，孙烨，邓统博，
申请(专利权)人：石家庄铁道大学，
类型：发明
国别省市：河北;13