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盘形滚刀试验台龙门框架结构分析及优化设计研究
| 论文题名： | 盘形滚刀试验台龙门框架结构分析及优化设计研究 |
| 关键词： | 盾构机;盘形滚刀试验台;切削力;钻掘参数;岩石破碎 |
| 摘要： | 盾构机(TBM)是被普遍用于隧道掘进的设备。由于现实工程的复杂性及现有理论的局限性，试验台的模拟试验成了设计、施工、掘进参数改进的高效途径。通过对国内外研究现状了解后，初步研制试验台样机模型;为保证实验的可靠性与准确性，对样机模型进行有限元分析;找出其不足，对其进行优化设计，为试验提供可靠的试验平台。本文主要内容如下: (1)通过脆性硬岩破碎机理的研究，着重研究静压、滚压作用下岩石破碎理论与破岩力学模型;研究破岩滚刀的相关参数、钻掘参数和岩土参数等，为不同工况下切削力计算、试验台加载参数提供相关理论依据。 (2)通过相关力学模型计算出极限工况下的切削力，确定试验台的合理加载参数范围与试验台总体设计方案;建立试验台样机三维模型，并对试验台进行结构分析。 (3)对主体结构进行极限工况下的静力、模态、谐响应分析;了解到其固有频率范围为:97.202～559.39 Hz;最大变形X方向，位移峰值达0.24174 mm;其动刚度只有41.37 kN/mm;最大静应力为20.372MPa，发生在横梁;而床体的应力与变形位移都非常小;综合位移、应力、频率、振型、幅频特性曲线等结果，发现以下不足:1）立柱、横梁X方向上的变形位移相对较大，动静刚度明显不足;2）床体设计存在刚度—质量比不合理因素。 (4)当材料、外壁与筋板厚尺寸参数确定的前提下，对十字交叉型、十字型、米字型、拱型和米字圆筒型五种筋板截面形状的横梁，进行动静特性比较、分析，得出米字型筋板截面的刚度—质量比为最优。选取三个尺寸参数作为设计变量、六个约束条件与四个目标函数，对立柱进行基于响应面和遗传算法的多目标优化设计;得到其输入、输出变量之间灵敏度关系、响应曲面及三组最优候选解集，并对优化尺寸值进行了修正;利用结构拓扑优化对床体结构进行优化设计，重量减少10.7％;将优化后主体结构进行相同约束、载荷条件下比较、分析，结果表明:其静动特性明显提高，保证其静刚度大于100 kN/mm的要求;最后，利用电阻应变测试了试验台结构变形位移。 (5)针对破岩力的几个主要影响因素，在试验台进行实测试验发现:岩体破碎主要是由剪切、挤压、张拉共同作用的结果;将实测数据与LS-DYNA仿真得到的数据进行比较，结果表明试验值与仿真值相对差值较小，同时，说明试验与仿真有较好一致性。 |
| 作者： | 郑传德 |
| 专业： | 机械工程 |
| 导师： | 姜铭;孙钊 |
| 授予学位： | 硕士 |
| 授予学位单位： | 扬州大学 |
| 学位年度： | 2017 |
| 正文语种： | 中文 |
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