全斷面掘進機數(shù)字樣機優(yōu)化設計與功能仿真關鍵技術研究.pdf

1、全斷面掘進機是國務院確定的振興民族裝備制造業(yè)16項重點扶持的重大項目之一，國家在先進制造領域重點扶持全斷面掘進機的研究與開發(fā)，以制造物理樣機和進行工程試用為目標，爭取在2015年實現(xiàn)系列化和產(chǎn)業(yè)化。國外相關方向研究已有很多成果，但大多出于商業(yè)利益考慮而處于保密狀態(tài)。因此為實現(xiàn)國內(nèi)全斷面掘進機的自主開發(fā)，就要求對全斷面掘進機的結(jié)構(gòu)與功能進行大量的基礎研究。
　　本文以數(shù)字樣機技術為基礎，主要針對全斷面掘進機的結(jié)構(gòu)分析、功能仿真與實際

2、施工過程的虛擬實現(xiàn)進行了研究。探討了刀具工作機理并建立了相關仿真模型與磨損模型，分析了盾尾注漿過程與重要工作部件的動態(tài)機械性能，基于虛擬現(xiàn)實技術建立了全斷面掘進機虛擬施工系統(tǒng)。論文主要包含以下幾個方面的研究內(nèi)容。
　　(1)分析了全斷面掘進機上盤形滾刀的破巖機理與受力模型，針對EPBΦ6.28m全斷面掘進機上的盤形滾刀建立了破巖仿真有限元分析模型.分別就滾刀工作時的實際工況條件進行了巖石壓痕試驗與線性切槽試驗的仿真分析，得出該盤形

3、滾刀工作時的壓力-貫入度關系與最優(yōu)刀間距范圍。并基于多變量非線性優(yōu)化算法建立了盤形滾刀布局參數(shù)優(yōu)化程序并進行了優(yōu)化計算。
　　(2)以沈陽地鐵隧道工程中的實際刀具為基礎建立了切削刀具-砂土有限元分析模型并驗證有限元模型設置的準確性，對切削刀具中的兩種主要類型（刮刀和主切削刀）進行了仿真分析，探討了各種工作參數(shù)包括切深、切削前角以及地質(zhì)條件的變化對切削刀具切割砂土過程的影響。通過對仿真結(jié)果分析，總結(jié)了不同工作參數(shù)下的切削效果、刀具整

4、體應力分布、以及刀尖表面的受力情況;以砂土切削仿真結(jié)果與刀具的實測磨損數(shù)據(jù)為基礎建立了切削刀具的磨損預測模型。
　　(3)通過對全斷面掘進機的注漿機理與注漿過程中的漿液擴散模式的分析，針對實際工況建立了漿液擴散數(shù)學模型并進行了數(shù)值計算;針對全斷面掘進機注漿系統(tǒng)工作過程進行了流體動力學的仿真分析，為實際施工中合理安排各注漿參數(shù)提供了參考依據(jù);應用粒子系統(tǒng)技術進行建模，通過流體動力學仿真得到的漿液流動數(shù)據(jù)，在虛擬場景中對注漿過程進行了

5、三維立體呈現(xiàn)。
　　(4)應用數(shù)字樣機技術，以EPBΦ6.28m土壓平衡式全斷面掘進機為基礎構(gòu)建了全斷面掘進機幾何模型并在虛擬環(huán)境下進行了具有沉浸感的虛擬裝配分析;討論了全斷面掘進機主要結(jié)構(gòu)件的負載情況并針對不同的工況進行了有限元結(jié)構(gòu)分析;針對盾尾關鍵工作部件-管片安裝機進行了動力學仿真分析，并對管片抓取機構(gòu)進行了剛?cè)峄旌戏抡娣治觥?br>　　(5)基于虛擬現(xiàn)實技術開發(fā)了具有自主知識產(chǎn)權(quán)并具有交互功能的全斷面掘進機虛擬施工系統(tǒng)，該