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原文传递基于数字样机的全断面掘进机功能仿真与优化设计关键技术研究

论文题名：	基于数字样机的全断面掘进机功能仿真与优化设计关键技术研究
关键词：	数字样机;全断面掘进机;功能仿真;优化设计
摘要：	全断面掘进机（Tunnel Boring Machine，简称TBM）是集机械、电气、液压和自控于一体的专门用于地下隧道工程挖掘的大型施工设备，具有开挖快、优质、安全、经济并有利于环境保护和降低劳动强度等优点。国外相关方向的研究已取得较多研究成果，但大多由于商业因素处于保密状态。因此，采用数字样机技术，在虚拟环境中真实模拟TBM的各种工作情况，快速分析多种设计方案，按照优化建议或用户需求修改参数，得到改进的数字样机，反复这个过程直至获得系统优化级的TBM设计方案。这对逐步形成具有自主知识产权的TBM相关设备、替代国外产品、提高我国在全断面掘进机设备方面的设计制造水平、降低施工成本等方面都具有重要意义。　　本文以开发出具有自主知识产权的TBM关键部件集成开发系统为目标，在“十一五”国家重大科技支撑计划项目——全断面掘进机（大型全断面掘进机研制）项目(2007BAF09B01)子课题“全断面掘进机数字样机关键技术研究”与中央高校基本科研业务费资助项目(N090603006)“全断面掘进机虚拟样机关键技术的研究”资助下，基于数字样机技术对TBM整机以及关键零部件进行了系统的仿真与测试分析，主要进行了以下几方面的研究。　　(1)采用分布式虚拟现实技术，结合VRML语言的交互性和Java/JavaScript语言的网络优越性，开发了一种可运行于Web的TBM虚拟仿真系统。该系统画面逼真、功能强大，不依赖于昂贵的大型虚拟现实设备，同时可在网络上的传输，具有较好的交互性、真实性和经济性等。基于SGIOnyx4可视化系统以及Christie投影系统构建了沉浸式TBM虚拟仿真系统，完成了TBM的功能仿真与虚拟装配测试，整个系统具有较强的沉浸感，有利于企业进行TBM产品展示，为TBM的设计与改进提供了理论依据，节省了生产成本，缩短了设计周期。　　(2)采用数字样机技术，通过对管片拼装机的仿真分析，获得了管片拼装机的运动学和动力学特性，为机构设计及动力系统的选型设计提供了依据。对管片拼装机整机及其关键部件如微调机构、齿轮接触等进行了性能评价与仿真分析，得出了不同工况下的危险部位与应力变形分布情况，并计算了典型工况下若干位形处的刚度，结果表明，所设计的机构具有较好的刚度特性，为管片拼装机的结构优化设计提供了理论依据。　　(3)采用数字样机技术，以TBM的关键部件刀盘及刀具为研究对象，进行了性能评价与仿真分析。获得了刀盘的运动学和动力学特性，结果表明所设计的刀盘运动机理可行，结构设计合理且满足地下施工条件。采用有限元方法对刀盘及刀具进行了性能评价、模态分析以及可靠性分析，验证了所设计的刀盘和刀具在不同的工况下的性能需求。　　(4)采用三维数值模拟方法，通过建立岩石的损伤本构模型对岩石破碎过程进行了仿真分析，再现动态破岩过程，弥补了二维仿真的不足。获得了滚刀在不同的速度以及不同地质条件下的切削参数，验证了滚刀的受力模型和仿真模型的有效性。研究了最优刀间距的确定方法，并采用LCM实验测试对仿真结果进行了验证，证明了数值方法的有效性。在此基础上建立了带性能约束的多目标滚刀布置模型，应用优化算法对滚刀分布模型进行了优化。　　(5)分析了滚刀的磨损机理，滚刀常见的磨损形式以及滚刀磨损的原因与影响因素。基于岩石断裂力学理论和CSM预测模型提出了一种新的TBM刀盘比能预测模型，并在此基础上对复合地层的比能预测进行了研究。确立了比能与滚刀间距以及贯入量之间的定量关系，建立了滚刀磨损的预测解析模型。结合秦岭隧道工程实例，对TBM滚刀磨损水平进行了量化研究，预测结果与实际情况相符，验证了模型的有效性。
作者：	李刚
专业：	机械制造及其自动化
导师：	王宛山
授予学位：	博士
授予学位单位：	东北大学
学位年度：	2013
正文语种：	中文