基于數(shù)字樣機的全斷面掘進機功能仿真與優(yōu)化設(shè)計關(guān)鍵技術(shù)研究.pdf

1、全斷面掘進機（Tunnel Boring Machine，簡稱TBM）是集機械、電氣、液壓和自控于一體的專門用于地下隧道工程挖掘的大型施工設(shè)備，具有開挖快、優(yōu)質(zhì)、安全、經(jīng)濟并有利于環(huán)境保護和降低勞動強度等優(yōu)點。國外相關(guān)方向的研究已取得較多研究成果，但大多由于商業(yè)因素處于保密狀態(tài)。因此，采用數(shù)字樣機技術(shù)，在虛擬環(huán)境中真實模擬TBM的各種工作情況，快速分析多種設(shè)計方案，按照優(yōu)化建議或用戶需求修改參數(shù)，得到改進的數(shù)字樣機，反復(fù)這個過程直至獲得

2、系統(tǒng)優(yōu)化級的TBM設(shè)計方案。這對逐步形成具有自主知識產(chǎn)權(quán)的TBM相關(guān)設(shè)備、替代國外產(chǎn)品、提高我國在全斷面掘進機設(shè)備方面的設(shè)計制造水平、降低施工成本等方面都具有重要意義。
　　本文以開發(fā)出具有自主知識產(chǎn)權(quán)的TBM關(guān)鍵部件集成開發(fā)系統(tǒng)為目標(biāo)，在“十一五”國家重大科技支撐計劃項目——全斷面掘進機（大型全斷面掘進機研制）項目(2007BAF09B01)子課題“全斷面掘進機數(shù)字樣機關(guān)鍵技術(shù)研究”與中央高校基本科研業(yè)務(wù)費資助項目(N09060

3、3006)“全斷面掘進機虛擬樣機關(guān)鍵技術(shù)的研究”資助下，基于數(shù)字樣機技術(shù)對TBM整機以及關(guān)鍵零部件進行了系統(tǒng)的仿真與測試分析，主要進行了以下幾方面的研究。
　　(1)采用分布式虛擬現(xiàn)實技術(shù)，結(jié)合VRML語言的交互性和Java/JavaScript語言的網(wǎng)絡(luò)優(yōu)越性，開發(fā)了一種可運行于Web的TBM虛擬仿真系統(tǒng)。該系統(tǒng)畫面逼真、功能強大，不依賴于昂貴的大型虛擬現(xiàn)實設(shè)備，同時可在網(wǎng)絡(luò)上的傳輸，具有較好的交互性、真實性和經(jīng)濟性等?；赟G

4、IOnyx4可視化系統(tǒng)以及Christie投影系統(tǒng)構(gòu)建了沉浸式TBM虛擬仿真系統(tǒng)，完成了TBM的功能仿真與虛擬裝配測試，整個系統(tǒng)具有較強的沉浸感，有利于企業(yè)進行TBM產(chǎn)品展示，為TBM的設(shè)計與改進提供了理論依據(jù)，節(jié)省了生產(chǎn)成本，縮短了設(shè)計周期。
　　(2)采用數(shù)字樣機技術(shù)，通過對管片拼裝機的仿真分析，獲得了管片拼裝機的運動學(xué)和動力學(xué)特性，為機構(gòu)設(shè)計及動力系統(tǒng)的選型設(shè)計提供了依據(jù)。對管片拼裝機整機及其關(guān)鍵部件如微調(diào)機構(gòu)、齒輪接觸等進

5、行了性能評價與仿真分析，得出了不同工況下的危險部位與應(yīng)力變形分布情況，并計算了典型工況下若干位形處的剛度，結(jié)果表明，所設(shè)計的機構(gòu)具有較好的剛度特性，為管片拼裝機的結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計提供了理論依據(jù)。
　　(3)采用數(shù)字樣機技術(shù)，以TBM的關(guān)鍵部件刀盤及刀具為研究對象，進行了性能評價與仿真分析。獲得了刀盤的運動學(xué)和動力學(xué)特性，結(jié)果表明所設(shè)計的刀盤運動機理可行，結(jié)構(gòu)設(shè)計合理且滿足地下施工條件。采用有限元方法對刀盤及刀具進行了性能評價、模態(tài)分析

6、以及可靠性分析，驗證了所設(shè)計的刀盤和刀具在不同的工況下的性能需求。
　　(4)采用三維數(shù)值模擬方法，通過建立巖石的損傷本構(gòu)模型對巖石破碎過程進行了仿真分析，再現(xiàn)動態(tài)破巖過程，彌補了二維仿真的不足。獲得了滾刀在不同的速度以及不同地質(zhì)條件下的切削參數(shù)，驗證了滾刀的受力模型和仿真模型的有效性。研究了最優(yōu)刀間距的確定方法，并采用LCM實驗測試對仿真結(jié)果進行了驗證，證明了數(shù)值方法的有效性。在此基礎(chǔ)上建立了帶性能約束的多目標(biāo)滾刀布置模型，應(yīng)用