應力應變轉換的TBM刀座焊縫三維裂紋擴展模型.pdf

1、在運用TBM進行隧道開挖的工程中，刀盤上的刀座是最常發(fā)生疲勞破壞的結構，破壞形式多表現(xiàn)為沿焊縫的疲勞裂紋和刀座的過載變形，并最終導致刀座性能失效。刀座的失效會對滾刀的安裝精度和工作狀態(tài)造成影響，改變滾刀的受力特性，并加速滾刀的破壞，最終影響掘進效率。因此，針對刀座焊接疲勞壽命預測及其焊接結構的改進具有重要的工程實際意義。
　　本文圍繞TBM刀座焊接疲勞壽命預測和焊接結構改進的問題，進行了一系列研究。
　　(1)根據TBM刀盤

2、板厚超厚特點，基于平面應力條件的小時間裂紋擴展模型不再適用，故引入塑性約束因子α來改變材料屈服應力值，將內部裂紋和沿板厚方向擴展的裂紋尖端平面應力/應變狀態(tài)的轉變進行等效。根據不同板厚試樣的裂紋擴展疲勞試驗，得到α與板厚t的關系方程:α=0.73t-0.943，提出了適用于大板厚的應力/應變轉換的小時間尺度三維約束裂紋擴展模型。另外，將焊接殘余應力對焊縫區(qū)應力特征的影響考慮在內，對小時間裂紋擴展模型進一步改進，使其適用于焊縫裂紋擴展壽命

3、的預測。
　　(2)采用C(T)焊接試樣進行焊縫疲勞裂紋擴展壽命試驗，記錄了裂紋擴展長度a0與載荷循環(huán)次數(shù)N的關系數(shù)據，并運用修正后的壽命預測模型對C(T)試樣的焊縫疲勞裂紋擴展壽命進行預測，理論預測結果與疲勞試驗數(shù)據對比結果顯示，疲勞試驗結果處于理論預測壽命的0.5-2倍范圍內，在工程中是可接受的，證明了壽命預測模型和方法的有效性。
　　(3)根據工程實例中TBM刀座的結構和載荷特點，以及刀座正面焊縫常出現(xiàn)疲勞裂紋的情況，

4、對刀座正面焊縫形式進行改進，將角焊縫改為對接焊縫，為節(jié)省仿真計算成本，設計縮尺簡化模型代替現(xiàn)役刀座和新型刀座的結構特點，對刀座縮尺簡化結構的殘余應力場進行仿真分析，對比兩種結構的殘余應力場，得出新型結構的殘余應力場對提高疲勞性能更有利。
　　(4)運用提出的壽命預測模型對刀座縮尺結構的焊縫裂紋擴展壽命進行了預測。根據相似理論，反推得到工程實例刀座的焊縫裂紋擴展壽命，得到現(xiàn)役刀座焊接結構的壽命為6.04km，新型刀座焊接結構的壽命為