单胞结构对盾构机复合材料刀圈增强体抗压性能的影响.pdf

第59 卷第2 期Vol.59No.2中国铸造装备与技术CHINAFOUNDRYMACHINERY&TECHNOLOGY2024年3 月Mar.2024单胞结构对盾构机复合材料刀圈增强体抗压性能的影响蔡云秀1，李斗2,李飞3（1.云南机电职业技术学院机械工程学院，云南昆明6 50 2 0 1；2.中国水利水电第十四工程局有限公司，云南昆明6 50 0 41;3.昆明理工大学，云南昆明6 50 0 51）摘要：为明确WC陶瓷颗粒单胞结构对盾构机滚刀刀圈蜂窝结构增强体的抗压性能的影响，利用绘图软件对体积分数为36%WC颗粒（四边形、六边形、八边形）的滚刀刀圈蜂窝结构增强体进行三维空间结构设计，通过ANSYS有限元模拟仿真分析不同单胞结构增强体的抗压性能。结果表明：WC颗粒体积分数为3 6%，四边形单胞结构增强体的极限压缩强度为123MPa、六边形的极限压缩强度为12 5MPa、八边形的极限压缩强度为12 1MPa，体积分数为3 6%的正六边形蜂窝结构增强体的抗压性能最优。关键词：盾构机刀圈；陶瓷颗粒增强体；有限元模拟；单胞结构；抗压性能中图分类号：TG115.5D0I:10.3969/j.issn.1006-9658.2024.02.0120引言盾构机(TBM)在施工过程中,滚刀刀圈的工作环境恶劣，消耗量极大，频繁的换刀严重地影响了施工进度！。为减少停机和更换刀圈次数，降低刀圈损耗，开发出更高性能的滚刀刀圈成为重要的研究方向 2-4。陶瓷颗粒因为其具备高熔点、高硬度及良好的稳定性被广泛应用于耐磨材料领域，赵兴明等人将WC陶瓷颗粒加入到H13钢中，WC颗粒增强盾构机滚刀刀圈使用寿命明显高于普通H13钢滚刀刀圈 3 。近年来，陶瓷颗粒增强刀圈材料越来越受到研究者们的重视，通过改变增强体的种类、结构、性能等特征和体积分数及分布，是金属基复合材料性能设计和调控的最收稿日期：2 0 2 4-0 2-19；修订日期：2 0 2 4-0 2-2 5基金项目：云南省教育厅科学研究基金（2 0 2 2 J1345)作者简介：蔡云秀（19 8 4一），女，副教授，主要从事材料加工及机器人焊接工艺研究。E-mail:通信作者：李飞（19 8 1一），男，副教授，主要从事材料加工及机器人焊接工艺研究。E-mail:文献标识码：A文章编号：10 0 6-9 6 58(2 0 2 4)0 2-0 0 50-0 5-50-主要的手段 5-。而将WC 陶瓷颗粒作为盾构机复合刀圈的增强体，研究其对刀圈性能的影响以及基体与增强体结合界面的性质研究相对较少,以陶瓷颗粒蜂窝结构作为盾构机复合刀圈的增强体,开展相关研究就显得尤为重要。为此，本文设计盾构机复合刀圈WC颗粒不同单胞结构的蜂窝结构增强体，通过ANSYS有限元仿真模拟软件计算不同单胞结构的WC陶瓷颗粒盾构机复合刀圈的蜂窝结构增强体的抗压性能。1盾构机刀圈增强体空间结构设计以19 寸盾构机滚刀刀圈为研究对象,如图1所示。使用solid edge三维设计软件对盾构机滚刀刀圈正四边形、正六边形、正八边形蜂窝结构增强体进行空间结构设计。刀圈直径磨损范围在3 0 50 mm之间时被判定为刀圈失效的原则，因此，在做刀圈用增强复合蔡云秀，等：单胞结构对盾构机复合材料刀圈增强体抗压性能的影响图119 寸盾构机滚刀刀圈材料空间结构设计时，只在刀口部分进行复合处理,以保证刀圈的整体性能。由于刀圈是在两相互垂直的坐标面上均有弧度变化的复杂结构，直接采用柱状单元结构来进行设计，会导致内侧的增强体百分比含量远小于外侧的增强体材料，达不到刀圈用复合材料标准中外硬内韧的性能要求，所以将柱状改为椎状单元结构。通过以上设计思路设计出体积分数为3 6%WC颗粒（四边形、六边形、八边形)的滚刀刀圈蜂窝结构增强体。体积分第2 期数为3 6%WC颗粒四边形、六边形、八边形增强体完整结构模型和模型单元体，如图2、图3、图4所示。盾构机复合材料刀圈增强体结构完整模型如图2 a所示，单胞结构如图2 b所示，体积分数为36%，厚度为2 mm，实体打印模型如图2 c所示。盾构机复合材料刀圈增强体结构完整模型如图3 a所示，单胞结构如图3 b所示，体积分数为36%，厚度为2 mm，实体打印模型如图3 c所示。盾构机复合材料刀圈增强体结构完整模型如图4a所示，单胞结构如图4b所示，体积分数为36%，厚度为2 mm，实体打印模型如图4c所示。2试验方法通过建立空间结构模型，得到对应的试样并(a)完整模型图2 体积分数3 6%的四边形结构模型(b)单胞结构(c）打印模型(a）完整模型图3 体积分数3 6%的六边形结构模型(b)单胞结构(c）打印模型(a)完整模型图4体积分数3 6%的八边形结构模型-51(b)单胞结构(c）打印模型一力第59 卷完成装配，导人到ANSYS中，利用位移、力等载荷进行抗压性能模拟计算，将最终数据生成对应的应力应变曲线图，通过分析对比获得性能最好的增强体，其中碳化钨陶瓷颗粒参数设置如表1所示；在ANSYS中工程数据源项目添加要计算材料的各项力学参数，如表2 所示。0.00010.0005.000(a）体积分数3 6%的四边形结构形变0.00010.0005.000(c）体积分数3 6%的六边形结构形变0.00010.0005.00015.000(e)体积分数3 6%的八边形结构形变图5体积分数相同结构不同的有限元模拟结果一52一中国铸造装备与技术3计算结果与分析不同单胞结构盾构机复合材料刀圈增强体力-位移曲线如图5所示，三种单胞结构位移变化为0 1mm时，所承受的力随位移的增加而增加，处于上升阶段，曲线的形状也相似，发生弹性50000-400003000020000-10000-020.000(mm)0.015.000(b)体积分数3 6%的四边形结构力位移曲线力50000-40000-30000-力2000010000020.000(mm)015.000(d)体积分数3 6%的六边形结构力位移曲线力5000040000-3000020000-10000-020.000(mm)01234567位移/mm(f)体积分数3 6%的八边形结构力位移曲线0.5位移/mm12位移/mm1.0341.552.06蔡云秀，等：单胞结构对盾构机复合材料刀圈增强体抗压性能的影响球形铸造WCW成分含量w/%95物理性能晶粒尺寸/um4448表2 工程数据源项目添加要计算材料的各项力学参数密度p/gcm)杨氏模量E/GPa碳化钨WC15.77变形。增强体的体积分数不变，通过改变单胞结构得到了三种空间结构增强体，分别为四边形单胞结构,六边形单胞结构，八边形单胞结构。如图5所示，三种结构的位移都有一个上升阶段,所承受的力随位移的增加而增加,为弹性工作,如图5a、b所示，四边形单胞结构在0.9 16 6 mm达到了最高点49 19 1N后进入平台期，至1.6 2 8 mm后开始产生剧烈形变导致失效，通过计算可知其极限压缩强度为12 3 MPa。如图5c、d 所示，六边形单胞结构从0.6 9 48 1mm处到高点进人平台期，于1.8717mm达到最高点50 12 8 N后有一小段下降曲线，但仍处于高位，直至达到2.3 57 9 mm急速下跌,结构发生明显变形,通过计算可知其极限压缩强度为12 5MPa。如图5e、f 所示，八边形单胞结构在0 1.152 3 mm之间都处于上升段,到1.152 3mm达到最高48 47 8 N,呈现剥落式下降,结构不稳定，通过计算可知其极限压缩强度为12 1MPa。通过对比发现，盾构机复合材料刀圈增强体六边形单胞结构相对于其他结构的来说更稳定，承载能力更强，抗压性更好。4结束语盾构机滚刀刀圈WC陶瓷颗粒蜂窝结构增强体的抗压性能模拟计算结果显示，WC颗粒体积分数为3 6%，四边形单胞结构增强体的极限压缩第2 期表1碳化钨陶瓷颗粒参数CFe3.960.23熔点/2760645Cr0.025泊松比0.24强度为12 3 MPa、六边形的极限压缩强度为12 5MPa、八边形的极限压缩强度为12 1MPa,体积分数为3 6%的正六边形蜂窝结构增强体的承载能力、抗压性能最优。参考文献：走赵兴明,刘学红,闫光立,等.WC颗粒增强盾构机滚刀刀圈的组织性能 .材料热处理学报,2 0 2 2,43(0 7):12 1-12 8.2王涛,徐冲,路媛媛,等.WC体积分数对激光熔注WC/NiBSi复合材料层组织和性能的影响 应用激光,2 0 18,3 8(0 4):517-521.3周雁领.TBM 盘形滚刀的质量控制及其检测维修技术 现代隧道技术,2 0 0 7(0 3):42-49.4张哲轩.蜂窝预制体结构对WC/Fe复合材料中W元素扩散行为及组织性能的影响 D昆明：昆明理工大学,2 0 2 0.5胡怡，顾红星，张国利。全断面隧道掘进机盘形滚刀用钢5Cr5MoSiV的研制.特殊钢,2 0 0 1(0 4):47-48.6黎振华，李颢,姚碧波，等.胞元尺寸对选区激光熔化18 Ni300正六边形蜂窝结构轴向压缩性能影响研究 .应用激光，2023,43(02):3439.V0.001努氏硬度/密度/(kg*mm2)(g：c m)21002.11体积模量K/GPa413Ti+Ta+NeCO+Ni+Mo氯化残渣0.200.20剪切模量G/GPa2600.10-53第59 卷Effect of ceramic particle cell structure on compressive performance ofcomposite cutter ring reinforcement for shield tunneling machine(1.Yunnan Vocational College of Mechanical and Electrical TechnologyMechanical Engineering Department,Kunming 650201,Yunnan China;2.Sinohydro Bureau 14 Co.,Ltd.,Kunming 650041,Yunnan China;3.Kunming University of Science and Technology,Kunming 650051,Yunnan China)Abstract:In order to clarify the influence of WC ceramic particles single-cell structure on the compres-sive performance of the honeycomb structural reinforcement of the hobbing cutter ring of shield machine,the three-dimensional spatial structure of the honeycomb structural reinforcement of the hobbing cutterring with 36%WC particles in volume fraction(tetragonal,hexagonal,and octagonal)is designed usingthe drawing software,and the compressive performance of the reinforcement with different single-cellstructure is analyzed by ANSYS finite element simulation.The results show that the ultimate compressivestrength of the WC particles with volume fraction of 36%is 123 MPa for quadrilateral,125 MPa forhexagonal,and 121 MPa for octagonal,and the compressive performance of the ortho-hexagonal cellularreinforcement with volume fraction of 36%is optimal.Key words:Cutter ring of shield machine;Ceramic particle reinforcement;Finite element simulation;Cell structure;Compressive performance中国铸造装备与技术CAI Yunxiu,LI Dou?,LI Fei?点亮每一个改变世界的窗口爱国创新求实奉献协同育人中国科学技术协会ChinaAssociationfor Scieceand Techology致敬创新的登攀者中国科学技术协会第十次全国代表大会54-