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)與性能仿真分析國內(nèi)外研究與應(yīng)用現(xiàn)狀。針對現(xiàn)有刀盤結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中存在的不足，給出了本文的研究內(nèi)容與組織結(jié)構(gòu)。
　　 第二章針對刀盤性能有限元仿真分析過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

3、狀梯階層次結(jié)構(gòu)和拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)關(guān)系對刀盤特征進(jìn)行組合形成刀盤參數(shù)化模型，并通過對有限元仿真分析軟件ANSYS進(jìn)行二次開發(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)力分布及振動特性。
　　 第三章針對刀盤結(jié)構(gòu)疲勞壽命預(yù)測中S—N特性多樣性導(dǎo)致疲勞壽命預(yù)測偏差較大的問題，提出了基于幾何相似

4、性的刀盤疲勞壽命預(yù)測方法。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)測刀盤結(jié)構(gòu)疲勞壽命。
　　 第四章針對刀盤結(jié)構(gòu)某些位置存在大平均位移、疲勞壽命較小等問題，以節(jié)點(diǎn)平均位移最小、疲勞壽命最長、刀盤開口率最大為優(yōu)化目標(biāo)，對刀盤設(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。