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随着我国大量隧道工程等基础设施项目的开展,隧道掘进施工技术得到了广泛的应用,TBM(全断面岩石隧道掘进机)也得到了大力推广,我国拥有巨大的TBM掘进施工应用市场,但是掌握TBM掘进技术的企业单位少,TBM自主研发及制造水平还相对落后,对TBM重要零部件加工等核心技术的研究对TBM整机的制造至关重要。本文研究对象是TBM机头架,课题源于国家863资助项目“大直径硬岩隧道掘进装备(TBM)的关键技术研究及应用(2012AA041801)”。机头架是TBM刀盘的连接支撑件,是TBM掘进过程中承受轴向推进力及刀盘反扭矩的重要结构件,机头架属于大型厚钢板焊接箱体结构,其焊接质量直接影响TBM整机性能。本文通过对机头架受力分析,对其典型T型结构焊接温度场和应力场数值模拟、焊接接头金相组织实验分析等方面进行了深入研究,旨在为TBM机头架制造工艺的制定和改进提供理论支持。具体研究内容如下:(1)根据TBM掘进原理及机头架内部的传动原理,计算机头架在TBM掘进过程中的最大载荷,并对其进行静力学有限元分析。(2)以机头架静力学有限元分析得出的应力集中部位为研究对象,建立典型T型结构的焊接有限元模型,并设定材料热力学性能参数、热源模型、焊接数值模拟工艺参数,进行焊接过程的数值模拟。(3)利用单元生死技术,对多层多道焊缝填充、焊后冷却过程的温度场分布规律进行数值分析,对焊缝、热影响区、母材上关键点的热循环曲线进行讨论,结合实际焊接的热特性,分析其焊接温度场数值模拟的准确性与合理性。(4)以温度场结果为基础,通过间接耦合法对焊接应力场进行数值模拟,分析其焊缝填充过程、焊后冷却过程中的瞬态应力场分布,讨论焊后残余应力沿不同路径的分布规律,并对比分析不同焊接工艺下的残余应力水平。(5)对T型焊接接头进行金相实验,结合焊接温度场数值分析结果,观察分析焊接工艺下焊缝、热影响区、母材的金相组织特性,讨论焊接接头质量,为焊接工艺提供指导。