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随着我国科技水平的飞速发展，TBM掘进施工技术在水利水电、交通、矿山、市政等隧道工程中的应用也在不断增加。TBM是一种大型化隧道掘进施工作业系统，它将机械、电控、液气压、自动化和智能一体化结合于一体，成为代表一个国家重型装备制造水平及隧道掘进施工的典型产品。相对于发达国家，我国TBM掘进技术及研发水平还有很大差距，现在国内对TBM关键部件受力分析和强度计算缺少理论研究的支撑。因此，对TBM零部件进行理论及工程实际研究具有重大意义。杭州那泰有限元分析公司研究是在罗宾斯主梁式掘进机基础上改进的满足实际需求的敞开式TBM机型，刀盘截割直径φ8020mm，它主要由刀盘、机头架、驱动电机、主大梁、撑靴、推进系统和后支撑等部分组成。
机头架属于掘进机的驱动主体部分，位于刀盘连接体与主大梁中间，其作用是将来自支撑靴的作用反力传递至主轴承、刀盘、刀具上，是主要的受力部件。机头架是一个牢固的焊接钢结构，是TBM驱动系统，支撑刀盘的主轴承和主驱动齿轮的主要支撑件。
在机头架的内部结构中，大齿圈与联接体、联接体与刀盘、主轴承外圈与机头架均通过高强度螺栓相联，主轴承内圈支撑在联接体上，外圈支撑在机头架上。掘进机工作时，推进油缸提供轴向推力，通过主大梁、机头架和联接体传给刀盘，从而提供前进的动力；机头架内部装有10套驱动电机分别驱动10个小齿轮转动，这10个小齿轮与大齿圈啮合，带动与大齿圈相联的联接体，从而带动刀盘旋转完成掘进过程。
从以上分析可以看出机头架是TBM工作时的关键受力件。对于机头架而言，在掘进时受力最大。掘进机掘进时，刀盘的反推力通过主轴承作用在机头架上，机头架承受轴向推力，同时机头架克服刀盘掘进工作时产生的反扭矩，即同时承受扭矩载荷。
机头架承受的轴向推力机头架通过轴承、联接体与刀盘相连，岩壁对刀盘的作用力通过轴承施加在机头架的左端面上，因此，机头架承受的轴向载荷与刀盘承受的轴向推力相同，设刀盘额定载荷Fs为安装在刀盘上所有盘形滚刀所能承受的总载荷。通过机头架的传动分析可知，机头架承受的反扭矩与刀盘承受的驱动转矩相同。
为了进一步研究机头架结构在掘进过程中应力应变及变形情况，在ANSYS Workbench中对其进行静力有限元分析。机头架是大型焊接件，由多块Q345B厚钢板焊接而成，首先根据图纸在Solidworks中建立三维模型，为了便于进行力学仿真分析，在建模过程中将该模型进行了以下简化：简化了焊缝，不考虑由于焊接过程造成的焊缝性能的差异和变化，将模型建成一个整体结构件；简化模型上的部分异形孔等特征。
将三维模型导入ANSYS Workbench中，设置材料Q345B属性，弹性模量 2.10E11MPa，泊松比0.28。机头架结构复杂，将其模型采用适应性很好的四面体网格划分，关键部位网格细化。
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