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土压平衡式盾构机刀盘及盾体拓扑优化设计研究
| 论文题名： | 土压平衡式盾构机刀盘及盾体拓扑优化设计研究 |
| 关键词： | 盾构机;滚刀破岩;刀盘结构;盾体结构;拓扑优化 |
| 摘要： | 随着我国地铁规模逐步扩大，所跨越的地形地质更加复杂多样，盾构机作为盾构法隧道施工的基础设备，其工作性能是影响施工质量和效率的决定性因素。盾构机刀具作为掘削系统的核心部件和隧道施工主要耗材，合理的配置能够提高掘进效率、降低施工成本。刀盘及盾体作为盾构机的结构件，在保证可靠施工的同时，对盾构机部件进行优化具有重要意义。本文以济南地铁某施工段的盾构机为研究对象，对该盾构机使用的滚刀进行破岩分析，对刀盘及盾体进行结构性能分析和结构优化研究，为施工过程中刀具选择、刀盘及盾体的设计提供理论依据。主要内容如下： （1）对地铁隧道施工段的地质条件进行了分析，针对土层特点阐述了两种隧道施工的土压力计算理论。研究了盾构机的选型依据，以该隧道施工段地质条件为依据进行了盾构机选型设计。 （2）分析了盾构机刀具布置的规律，研究了施工过程中滚刀失效的基本形式和滚刀破岩机理。建立单刃滚刀破岩的三维模型，以滚刀刀圈直径和破岩贯入度为变量进行滚刀破岩动力学分析，分析不同条件下滚刀刀圈的应力，得到了与实际施工相适应的最佳选择方案。 （3）分析了盾构机刀盘的推力和扭矩，建立了推力和扭矩的计算模型。对刀盘正常掘进工况、最大推力工况、静扭脱困工况三种典型工况进行静力学分析，对刀盘结构进行模态分析，对比分析得出刀盘在施工过程中的危险工况；对盾体进行静力学分析和模态分析，验证了刀盘和盾体的结构性能。 （4）研究了拓扑优化变密度法的原理并给出了SIMP变密度法的优化模型。在满足结构强度和刚度要求的情况下，以静力学分析结果为依据，对刀盘及盾体进行基于强度约束最小化质量的SIMP变密度法拓扑优化分析，依据分析结果对刀盘及盾体进行优化研究。对优化后的刀盘及盾体模型进行静力学分析和模态分析，并与优化前分析结果进行对比，验证了优化结构的合理性。 |
| 作者： | 潘昊 |
| 专业： | 机械工程 |
| 导师： | 陈继文;卢庆亮 |
| 授予学位： | 硕士 |
| 授予学位单位： | 山东建筑大学 |
| 学位年度： | 2021 |
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