刀盘是TBM的重要部件之一,其工作性能直接影响到TBM的工作寿命和隧道施工质量。本文视刀盘载荷为随机载荷,基于ANSYS和WORKBENCH对TBM刀盘的可靠性和疲劳特性进行分析,并对其薄弱部位进行尺寸优化。本文的主要工作如下:(1)TBM刀盘三维模型的建立。为提高计算精度,通过对刀盘进行实体切分和肋板对应节点刚连等方式,获得了刀盘的六面体网格模型。在分析刀盘受力特点的基础上,在滚刀刀孔处建立关键点,实现了分组对刀盘施加随机载荷。(2)TBM刀盘的可靠性分析。在考虑刀盘载荷随机变化的情况下,基于响应面法,利用ANSYS中的概率分析模块,得到了刀盘结构的失效概率,确定了影响其失效概率主、次要因素,研究了切向力与推进力之比对失效概率的影响,对比分析了灵敏度与切/推比例系数之变化关系。(3)TBM刀盘的疲劳分析。根据有限元分析结果,基于修正的S-N曲线理论,对刀盘进行了疲劳分析,绘制了刀盘结构的S-N曲线和疲劳—敏感度曲线,分析了影响刀盘疲劳寿命的主要因素,为刀盘结构的优化设计提供了依据。(4)TBM刀盘的结构优化。通过对刀盘结构薄弱部位的关键尺寸进行参数化描述,以最小寿命为目标,对这些尺寸进行了优化。优化后最小寿命增加了230.6%,最大等效应力减小了29.3%。通过对相关尺寸的灵敏度分析,确定了影响最小寿命的关键因素,为改进设计提供了参考。