土壓平衡式盾構(gòu)機(jī)刀盤性能仿真分析與多目標(biāo)優(yōu)化設(shè)計(jì)技術(shù)研究.pdf

1、刀盤作為盾構(gòu)掘進(jìn)系統(tǒng)中直接從事土體切削的關(guān)鍵零部件，其掘進(jìn)過(guò)程中的性能直接關(guān)系到盾構(gòu)掘進(jìn)的質(zhì)量。作者結(jié)合國(guó)家973項(xiàng)目課題“全斷面掘進(jìn)系統(tǒng)性能仿真與實(shí)驗(yàn)”與企業(yè)具體需求，對(duì)土壓平衡式盾構(gòu)機(jī)刀盤性能仿真分析及多目標(biāo)優(yōu)化設(shè)計(jì)技術(shù)進(jìn)行了研究，提出了基于特征單元的刀盤參數(shù)化建模方法、基于幾何相似性的刀盤疲勞壽命預(yù)測(cè)方法、基于NSGA—Ⅱ算法的刀盤多目標(biāo)優(yōu)化設(shè)計(jì)方法，并將其應(yīng)用到了沈陽(yáng)重型機(jī)械集團(tuán)有限公司研制的Φ6.28m土壓平衡式盾構(gòu)機(jī)刀盤性能

2、仿真分析中。
　　 第一章主要介紹了基于有限元的性能仿真分析技術(shù)、結(jié)構(gòu)疲勞壽命預(yù)測(cè)技術(shù)研究應(yīng)用情況，著重分析了土壓平衡式盾構(gòu)機(jī)刀盤結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)與性能仿真分析國(guó)內(nèi)外研究與應(yīng)用現(xiàn)狀。針對(duì)現(xiàn)有刀盤結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中存在的不足，給出了本文的研究?jī)?nèi)容與組織結(jié)構(gòu)。
　　 第二章針對(duì)刀盤性能有限元仿真分析過(guò)程中存在的刀盤建模繁瑣及模型不易于后期優(yōu)化設(shè)計(jì)等問(wèn)題，提出了基于特征單元的刀盤參數(shù)化建模方法。該方法在分析刀盤結(jié)構(gòu)特征的基礎(chǔ)上，根據(jù)特征間的樹(shù)

3、狀梯階層次結(jié)構(gòu)和拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)關(guān)系對(duì)刀盤特征進(jìn)行組合形成刀盤參數(shù)化模型，并通過(guò)對(duì)有限元仿真分析軟件ANSYS進(jìn)行二次開(kāi)發(fā)實(shí)現(xiàn)了刀盤參數(shù)化三維建模模塊。使用刀盤參數(shù)化建模模塊建立了刀盤參數(shù)化模型，并在分析刀盤結(jié)構(gòu)材料屬性及載荷工況基礎(chǔ)上建立了刀盤應(yīng)力特性和振動(dòng)特性有限元仿真分析模型，獲得了各種載荷工況下的刀盤結(jié)構(gòu)應(yīng)力分布及振動(dòng)特性。
　　 第三章針對(duì)刀盤結(jié)構(gòu)疲勞壽命預(yù)測(cè)中S—N特性多樣性導(dǎo)致疲勞壽命預(yù)測(cè)偏差較大的問(wèn)題，提出了基于幾何相似

4、性的刀盤疲勞壽命預(yù)測(cè)方法。該方法將復(fù)雜結(jié)構(gòu)中的常用缺口結(jié)構(gòu)分為標(biāo)準(zhǔn)結(jié)構(gòu)和衍生結(jié)構(gòu)，從缺口結(jié)構(gòu)疲勞強(qiáng)度影響因素出發(fā)給出了基于疲勞特性的標(biāo)準(zhǔn)結(jié)構(gòu)和衍生結(jié)構(gòu)幾何相似性判斷準(zhǔn)則及相似度計(jì)算方法，結(jié)合刀盤衍生結(jié)構(gòu)的匹配標(biāo)準(zhǔn)結(jié)構(gòu)疲勞特性與相似度確定衍生結(jié)構(gòu)S—N關(guān)系曲線修正系數(shù)；根據(jù)易疲勞破壞因子(平均應(yīng)力、應(yīng)力集中)確定刀盤各缺口結(jié)構(gòu)易發(fā)生疲勞破壞位置，通過(guò)Goodman方程確定該位置最大疲勞損傷的載荷譜，采用Palmgren—Miner累積損傷

5、理論預(yù)測(cè)刀盤結(jié)構(gòu)疲勞壽命。
　　 第四章針對(duì)刀盤結(jié)構(gòu)某些位置存在大平均位移、疲勞壽命較小等問(wèn)題，以節(jié)點(diǎn)平均位移最小、疲勞壽命最長(zhǎng)、刀盤開(kāi)口率最大為優(yōu)化目標(biāo)，對(duì)刀盤設(shè)計(jì)參數(shù)實(shí)施了多目標(biāo)優(yōu)化。根據(jù)刀盤結(jié)構(gòu)特性建立了刀盤多目標(biāo)優(yōu)化數(shù)學(xué)模型，通過(guò)多目標(biāo)優(yōu)化設(shè)計(jì)軟件iSIGHT與ANSYS集成，采用NSGA—Ⅱ算法計(jì)算獲得了刀盤多目標(biāo)優(yōu)化Pareto解集，基于模糊集合理論對(duì)刀盤進(jìn)行Pareto解集選優(yōu)，獲得了刀盤設(shè)計(jì)參數(shù)最優(yōu)解。