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 |