[发明专利]复合型土压平衡盾构刀盘CAD系统

说明书

技术领域

本发明涉及一种CAD软件系统，尤其是涉及一种复合型土压平衡盾构刀盘CAD系统，属于计算机软件领域。

背景技术

盾构刀盘作为盾构机切削岩土的唯一工具，其类型、结构与地质参数的适应性决定了地下空间工程的掘进效率与经济性。世界各地大量工程数据表明，刀盘维修以及刀具检查、更换等作业时间约占掘进施工总时间的三分之一，费用约占掘进施工总费用的三分之一。因此，针对各类不同的地质条件，能否设计或选用满足工程施工需要的盾构刀盘成为决定工程能否成功的关键因素。

盾构刀盘是根据施工地质参数“度身定做”的，不同地层的岩土力学、工程地质和水文地质等特征相差悬殊，其刀盘结构也相差很大。传统的刀盘设计过程是根据所给地质参数，参照已有成功施工的刀盘实例，依靠个人或团队的工程经验进行设计，人工绘制刀盘图纸，总体理论依据不足、设计周期长、设计可靠性较低。本发明集成SolidWorks 2008强大的三维绘图功能与UDEC 4.0、MATLAB 7.0、ANSYS Workbench 10.0的专业分析功能，并结合开口设计、刀具选型和刀具布置等相关理论与技术，实现系统化设计盾构刀盘。

发明内容

本发明的目的在于提供一种应用于复合地层下的复合型土压平衡盾构刀盘CAD系统，主要是针对复合地层地质条件进行复合型土压平衡盾构刀盘的关键参数设计、参数化建模、力学性能分析和优化设计，期望得到已知地层下的目标刀盘初步设计方案。

本发明是通过以下技术方案来实现的，该系统包括：

(1)用户输入模块，用户输入地质参数和技术要求，其中地质参数包括：岩石抗压强度、抗拉强度、密度、弹性模量、体积模量、剪切模量、凝聚力、内摩擦角、膨胀角，软土单轴抗压强度、粘聚力、内摩擦角、水平侧压力系数；技术要求包括：开挖直径，刀盘转速，推进速度，最大扭矩，脱困扭矩，最大推力；

(2)基本功能模块，系统结合开口设计、刀具选型和刀具布置理论，计算滚刀最优刀间距，确定滚刀、刮刀类型和布置参数，实现对目标刀盘进行基本构型设计、刀具地质适应性选型和刀具优化布置，通过参数化建模，生成目标刀盘装配图；

(3)性能分析模块，系统对目标刀盘进行有限元受力分析，获得目标刀盘应力分布和变形分布结果；

(4)优化设计模块，用户指定设计变量和优化目标，系统对目标刀盘进行结构参数优化分析，并根据优化后的结构参数修改目标刀盘装配图；

(5)历史数据管理模块，系统自动存储用户输入的数据与对应的目标刀盘三维设计结果，用户也可以从该模块调用历史数据。

所述的参数化建模，系统根据用户输入的结构参数自动生成刀盘零件，调用已有刀具零件模板和牛腿-法兰零件模板，重新生成新的刀具零件和牛腿-法兰零件，进行自动化装配设计，生成目标刀盘装配图。

所述的有限元受力分析，是针对硬岩切削工况、软土切削工况和堵转工况，系统根据用户输入的地质参数、技术要求和刀盘结构参数计算各种工况下的推力和扭矩，修改已有的APDL分析命令流，该命令流包括材料参数的赋值、网格的划分、外载荷的施加、约束条件的添加，系统调用修改后的APDL分析命令流，自动求解，并输出应力分布和变形分布结果。

所述的结构参数优化设计，用户指定需要优化的结构参数为设计变量，并指定优化目标，修改已有的APDL优化命令流，该命令流包括设计变量与目标函数的声明、优化方法的选择，系统调用修改后的APDL优化命令流，自动优化分析，并输出优化后的结构参数，同时修改目标刀盘装配图。

该系统具有可扩展性，可以根据需要添加新的刀盘基本构型特征。

本系统具有良好的应用前景，特别是在复合型土压平衡盾构刀盘的初期设计阶段，用户可以快速建立地质参数和刀盘关键设计参数之间的对应关系，获得直观的目标刀盘三维装配模型，并实现对目标刀盘进行力学性能评估与结构优化，从而提高设计可靠性和设计效率。

附图说明

图1为复合型土压平衡盾构刀盘CAD系统的系统结构示意图

图2为复合型土压平衡盾构刀盘CAD系统的刀盘参数化建模流程图

图3为复合型土压平衡盾构刀盘CAD系统的性能分析和优化设计流程图

具体实施方式

下面结合具体图示，进一步阐述本发明。