[发明专利]一种盾构机刀盘面板结构的特征重构式设计方法

权利要求书

1.一种盾构机刀盘面板结构的特征重构式设计方法，其特征在于，包括以下步骤：

1)确定盾构机面板的力学仿真模型：

1.1)确定盾构机面板相关参数：

初设所需优化盾构机面板的参数，包括：盾构机外径d₀，刀具最大切削直径d₁，中心刀切削半径d₂,刀盘正切削刀宽度b₁,刀具的重合量e，刀盘辐条数N，边切削刀宽度b₂；

1.2)确定刀盘刀具布置：

盾构机面板所需正切削刀的最少数量为：

刀盘正切削刀数量N₁取整后为N₀，正切削刀与中心刀重叠量为：

c＝(b₁-e)×(N₀-N₁)    (2)

则正切刀阿基米德螺旋线的初始值为：

阿基米德螺旋线系数α为：

则该刀盘正切削刀螺旋布置曲线方程为：

ρ＝ρ₀+αθ    (5)

添加其他盾构机刀具并确定出整个刀盘面板刀具布置结果；

2)建立盾构机刀盘面板特征重构模型：

2.1)建立盾构机刀盘面板特征重构设计域拓扑模型：

根据确定的刀盘结构建立设计域拓扑模型，所采用的特征重构设计方法以各向同性的伪密度单元为结构优化的最小单位，设计域被表征为紧密排列的伪密度单元；以伪密度单元的伪密度值x作为设计变量，其反映了材料密度与材料性质之间对应关系；伪密度值的1和0分别代表了该位置结构的有无，设计变量场x＝{x₁,x₂,...,x_i,...}^T表征了设计域中的结构分布，按伪密度值定义结构的设计域以及非设计域；

2.2)建立特征重构设计方法数学模型：

结构设计目标是确定盾构机刀盘面板刀具所受切削力传递到牛腿法兰与面板固定点的最佳结构路径，设计目标为面板结构的刚度最大，因此优化数学模型的目标函数为c(x)，约束函数为盾构机面板的开口率即设计域最终材料体积分数f，确定面板材料，对于设计目标和约束函数，建立如下的特征重构设计方法数学模型：

式中：x_e为单元密度，即设计变量；U为位移矩阵；K为刚度矩阵；V_(x)为结构体积；V₀为总体积；f为体积分数；u_e为单元位移矢量；k₀为单元刚度矩阵；p是惩罚因子；

2.3)特征重构设计方法敏度分析：

进行迭代算法前需要对目标函数进行相对于设计变量的敏度分析，在进行敏度分析时需将i个受力点的单元位移量累加起来，最终的敏度函数如下：

3)盾构机面板结构迭代优化：

通过材料伪密度值的不断迭代优化获得最佳的结构模型，将前述步骤中获得的设计变量、目标函数、约束函数及其关于设计变量的敏度作为输入，使用基于梯度的OC算法对特征重构设计方法数学模型进行优化，更新设计变量；直至目标函数在满足约束条件的情况下收敛为止，从而获得满足材料用量的最佳面板结构；

4)结构后处理：

对优化设计出的盾构机面板结构进行光滑圆整处理，再根据加工工艺要求以及制造装配要求进一步修改以得到最终设计。