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隨著我國科技水平的飛速發展，TBM掘進施工技術在水利水電、交通、礦山、市政等隧道工程中的應用也在不斷增加。TBM是一種大型化隧道掘進施工作業系統，它將機械、電控、液氣壓、自動化和智能一體化結合于一體，成為代表一個國家重型裝備制造水平及隧道掘進施工的典型產品。相對于發達國家，我國TBM掘進技術及研發水平還有很大差距，現在國內對TBM關鍵部件受力分析和強度計算缺少理論研究的支撐。因此，對TBM零部件進行理論及工程實際研究具有重大意義。杭州那泰有限元分析公司研究是在羅賓斯主梁式掘進機基礎上改進的滿足實際需求的敞開式TBM機型，刀盤截割直徑φ8020mm，它主要由刀盤、機頭架、驅動電機、主大梁、撐靴、推進系統和后支撐等部分組成。
機頭架屬于掘進機的驅動主體部分，位于刀盤連接體與主大梁中間，其作用是將來自支撐靴的作用反力傳遞至主軸承、刀盤、刀具上，是主要的受力部件。機頭架是一個牢固的焊接鋼結構，是TBM驅動系統，支撐刀盤的主軸承和主驅動齒輪的主要支撐件。
在機頭架的內部結構中，大齒圈與聯接體、聯接體與刀盤、主軸承外圈與機頭架均通過高強度螺栓相聯，主軸承內圈支撐在聯接體上，外圈支撐在機頭架上。掘進機工作時，推進油缸提供軸向推力，通過主大梁、機頭架和聯接體傳給刀盤，從而提供前進的動力；機頭架內部裝有10套驅動電機分別驅動10個小齒輪轉動，這10個小齒輪與大齒圈嚙合，帶動與大齒圈相聯的聯接體，從而帶動刀盤旋轉完成掘進過程。
從以上分析可以看出機頭架是TBM工作時的關鍵受力件。對于機頭架而言，在掘進時受力最大。掘進機掘進時，刀盤的反推力通過主軸承作用在機頭架上，機頭架承受軸向推力，同時機頭架克服刀盤掘進工作時產生的反扭矩，即同時承受扭矩載荷。
機頭架承受的軸向推力機頭架通過軸承、聯接體與刀盤相連，巖壁對刀盤的作用力通過軸承施加在機頭架的左端面上，因此，機頭架承受的軸向載荷與刀盤承受的軸向推力相同，設刀盤額定載荷Fs為安裝在刀盤上所有盤形滾刀所能承受的總載荷。通過機頭架的傳動分析可知，機頭架承受的反扭矩與刀盤承受的驅動轉矩相同。
為了進一步研究機頭架結構在掘進過程中應力應變及變形情況，在ANSYS Workbench中對其進行靜力有限元分析。機頭架是大型焊接件，由多塊Q345B厚鋼板焊接而成，首先根據圖紙在Solidworks中建立三維模型，為了便于進行力學仿真分析，在建模過程中將該模型進行了以下簡化：簡化了焊縫，不考慮由于焊接過程造成的焊縫性能的差異和變化，將模型建成一個整體結構件；簡化模型上的部分異形孔等特征。
將三維模型導入ANSYS Workbench中，設置材料Q345B屬性，彈性模量 2.10E11MPa，泊松比0.28。機頭架結構復雜，將其模型采用適應性很好的四面體網格劃分，關鍵部位網格細化。
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