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基于聚合代理模型的土压平衡盾构刀盘多目标协同轻量化设计方法研究
| 论文题名： | 基于聚合代理模型的土压平衡盾构刀盘多目标协同轻量化设计方法研究 |
| 关键词： | 土压平衡盾构刀盘;轻量化设计;多目标优化;聚合代理模型 |
| 摘要： | 盾构机广泛应用于地铁、铁路、市政等隧道工程，在国民经济中起着重要作用。处于盾构机最前沿的刀盘，有着开挖土体、支撑围岩及搅拌渣土的功能，是盾构机最为关键的核心部件之一。盾构刀盘轻量化可节约原材料，降低工作能耗，并通过减少悬臂负载进而提升掘进稳定性。传统轻量化方法多依赖于拓扑或尺寸优化来达到减重目的，但过度减重会引起整机稳定性失衡和疲劳失效等问题。因此，在轻量化的同时有必要对盾构刀盘工作稳定性、服役安全寿命等性能进行综合考虑，构建真实反映其结构质量-稳定性-疲劳寿命之间复杂耦合关系的多目标协同轻量化设计模型。 本文以8.46m直径土压平衡盾构刀盘为研究对象，基于上软下硬典型工况，研究基于聚合代理模型的土压平衡盾构刀盘多目标协同轻量化设计方法，主要内容如下： （1）针对上软下硬典型地层施工环境，分析了盾构刀盘承受的载荷与扭矩，确定了刀盘受力状况。在此基础上，采用熵权TOPSIS综合贡献度和灵敏度分析了尺寸参数对刀盘质量、一阶模态频率和疲劳寿命的影响程度，确定了每个优化目标的设计变量。 （2）基于径向基函数模型（Radial basis function ，RBF）、克里金模型（Kriging）、支持向量回归（Support vector regression， SVR）单一代理模型，构建了刀盘尺寸参数与一阶模态频率和疲劳寿命之间隐式关系的聚合代理模型，并对其拟合效果进行了验证。 （3）构建了盾构刀盘系统和子系统两级优化模型，利用基于动态罚函数的改进CO算法进行迭代寻优，获得了最优尺寸参数组合。通过对优化结果的分析验证，显示优化后刀盘质量减轻了3.2%，一阶模态频率提升了21.9%，疲劳寿命增大了90%。 |
| 作者： | 尹春洋 |
| 专业： | 机械工程 |
| 导师： | 马军 |
| 授予学位： | 硕士 |
| 授予学位单位： | 郑州轻工业大学 |
| 学位年度： | 2023 |
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