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土压平衡式盾构机刀盘性能仿真分析与多目标优化设计技术研究

作　者: 仇桂勇
导　师: 刘振宇
学　校: 浙江大学
专　业: 机械设计及理论
关键词: 土压平衡式盾构刀盘性能仿真疲劳寿命特征几何相似性多目标优化 NSGA-II算法 Pareto解模糊集合理论
分类号: U455.3
类　型: 硕士论文
年　份: 2010年
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内容摘要

刀盘作为盾构掘进系统中直接从事土体切削的关键零部件,其掘进过程中的性能直接关系到盾构掘进的质量。作者结合国家973项目课题“全断面掘进系统性能仿真与实验”与企业具体需求,对土压平衡式盾构机刀盘性能仿真分析及多目标优化设计技术进行了研究,提出了基于特征单元的刀盘参数化建模方法、基于几何相似性的刀盘疲劳寿命预测方法、基于NSGA-Ⅱ算法的刀盘多目标优化设计方法,并将其应用到了沈阳重型机械集团有限公司研制的Φ6.28m土压平衡式盾构机刀盘性能仿真分析中。第一章主要介绍了基于有限元的性能仿真分析技术、结构疲劳寿命预测技术研究应用情况,着重分析了土压平衡式盾构机刀盘结构设计与性能仿真分析国内外研究与应用现状。针对现有刀盘结构设计中存在的不足,给出了本文的研究内容与组织结构。第二章针对刀盘性能有限元仿真分析过程中存在的刀盘建模繁琐及模型不易于后期优化设计等问题,提出了基于特征单元的刀盘参数化建模方法。该方法在分析刀盘结构特征的基础上,根据特征间的树状梯阶层次结构和拓扑结构关系对刀盘特征进行组合形成刀盘参数化模型,并通过对有限元仿真分析软件ANSYS进行二次开发实现了刀盘参数化三维建模模块。使用刀盘参数化建模模块建立了刀盘参数化模型,并在分析刀盘结构材料属性及载荷工况基础上建立了刀盘应力特性和振动特性有限元仿真分析模型,获得了各种载荷工况下的刀盘结构应力分布及振动特性。第三章针对刀盘结构疲劳寿命预测中S-N特性多样性导致疲劳寿命预测偏差较大的问题,提出了基于几何相似性的刀盘疲劳寿命预测方法。该方法将复杂结构中的常用缺口结构分为标准结构和衍生结构,从缺口结构疲劳强度影响因素出发给出了基于疲劳特性的标准结构和衍生结构几何相似性判断准则及相似度计算方法,结合刀盘衍生结构的匹配标准结构疲劳特性与相似度确定衍生结构S-N关系曲线修正系数;根据易疲劳破坏因子(平均应力、应力集中)确定刀盘各缺口结构易发生疲劳破坏位置,通过Goodman方程确定该位置最大疲劳损伤的载荷谱,采用Palmgren-Miner累积损伤理论预测刀盘结构疲劳寿命。第四章针对刀盘结构某些位置存在大平均位移、疲劳寿命较小等问题,以节点平均位移最小、疲劳寿命最长、刀盘开口率最大为优化目标,对刀盘设计参数实施了多目标优化。根据刀盘结构特性建立了刀盘多目标优化数学模型,通过多目标优化设计软件iSIGHT与ANSYS集成,采用NSGA-Ⅱ算法计算获得了刀盘多目标优化Pareto解集,基于模糊集合理论对刀盘进行Pareto解集选优,获得了刀盘设计参数最优解。第五章总结了论文的研究内容和主要工作,展望了今后研究工作的努力方向。

全文目录

致谢  5-6
摘要  6-8
ABSTRACT  8-10
目录  10-12
第1章绪论  12-22
  1.1 引言  12
  1.2 基于有限元的结构性能仿真分析技术  12-16
    1.2.1 基于有限元的性能仿真技术  12-14
    1.2.2 基于有限元的疲劳寿命预测技术  14-16
  1.3 土压平衡式盾构刀盘结构设计及性能仿真研究现状  16-20
    1.3.1 土压平衡式盾构刀盘结构设计研究现状  16-19
    1.3.2 土压平衡式刀盘性能仿真研究现状  19-20
  1.4 论文的研究内容和组成结构  20-21
  1.5 本章小结  21-22
第2章基于特征单元的刀盘有限元参数化建模与结构性能分析  22-41
  2.1 引言  22-23
  2.2 基于特征单元的刀盘参数化模型  23-25
    2.2.1 基本特征单元的提取  23-24
    2.2.2 特征单元的拓扑关联  24-25
  2.3 基于Ansys的刀盘参数化建模模块定制  25-28
    2.3.1 刀盘参数化建模开发环境  25-26
    2.3.2 刀盘参数化建模模块结构  26-28
  2.4 刀盘应力特性分析  28-36
    2.4.1 刀盘有限元分析前处理  28-30
    2.4.2 刀盘约束及载荷加载  30-33
    2.4.3 刀盘应力分析及后处理  33-36
  2.5 刀盘振动特性分析  36-40
    2.5.1 刀盘模态分析  36-37
    2.5.2 刀盘谐响应分析  37-40
  2.6 本章小结  40-41
第3章基于几何相似性的刀盘疲劳寿命预测  41-54
  3.1 引言  41-42
  3.2 基于疲劳特性的结构几何相似性分析  42-46
    3.2.1 复杂结构疲劳寿命预测的思路与流程  42-43
    3.2.2 标准结构和衍生结构几何相似性分析  43-46
  3.3 刀盘 S-N关系曲线确定  46-47
    3.3.1 刀盘材料基本 S-N关系曲线  46
    3.3.2 刀盘 S-N关系修正曲线  46-47
  3.4 刀盘疲劳寿命预测载荷处理  47-48
    3.4.1 平均应力影响  47-48
    3.4.2 最大疲劳损伤应力循环  48
  3.5 刀盘疲劳寿命计算  48-53
    3.5.1 刀盘缺口结构  48-49
    3.5.2 刀盘缺口结构与匹配标准结构几何相似性判断  49-50
    3.5.3 刀盘缺口关键位置点疲劳寿命计算  50-53
  3.6 本章小结  53-54
第4章基于NSGA-II算法的刀盘多目标优化设计  54-71
  4.1 引言  54-55
  4.2 刀盘多目标优化数学模型  55-59
    4.2.1 刀盘多目标优化基本概念  55-56
    4.2.2 刀盘优化变量设计  56-57
    4.2.3 刀盘优化约束条件  57-58
    4.2.4 刀盘优化目标函数  58-59
  4.3 基于NSGA-II的刀盘多目标优化模型求解  59-62
  4.4 基于模糊集合的刀盘优化 Pareto集选优  62
  4.5 刀盘多目标优化设计实现  62-70
    4.5.1 基于iSIGHT的多目标优化  62-63
    4.5.2 Ansys与iSIGHT集成运算  63-70
  4.6 本章小结  70-71
第5章总结与展望  71-73
  5.1 论文总结  71-72
  5.2 工作展望  72-73
参考文献  73-78
附录:攻读硕士学位期间发表的学术论文和参加的科研项目  78

土压平衡式盾构机刀盘性能仿真分析与多目标优化设计技术研究

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