[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

说明书

一种盾构机刀盘面板结构的特征重构式设计方法，先确定盾构机刀盘面板的刀具布置，建立盾构机刀盘面板力学仿真模型：根据实际的盾构机刀盘面板结构设计问题，提取出待分析域和几何、物理条件；然后建立盾构机刀盘面板特征重构式设计域拓朴模型；再建立特征重构式设计数学模型：以最小化柔度即结构最佳刚度为目标函数，采用变密度法描述结构优化方法，建立由物理场驱动的优化模型，确定每次的优化方向；然后进行盾构机刀盘面板结构的迭代优化，获得定体积占比约束条件下刚度最大的盾构机刀盘面板结构；最后对优化后的盾构机刀盘面板结构进行后处理；本发明提高了设计的效率与质量。

技术领域

本发明属于盾构机刀盘面板结构设计技术领域，具体涉及一种盾构机刀盘面板结构的特征重构式设计方法。

背景技术

随着人类社会对地下空间基础设施的需求日益增加，使得作为山体隧道与地下轨道交通等设施建设的盾构机得到了广泛的应用，盾构机刀盘面板作为盾构机最关键的部件之一，对于挖掘隧道起着至关重要的作用，刀盘面板结构的优劣直接影响盾构机的掘进工作。

盾构机的工作条件复杂且恶劣，目前盾构机面板设计大多数依据经验进行面板加强筋的设计，受力情况的分析基本以面板与土层之间的摩擦来进行面板优化设计(冯畅,朱述敏,陈国三.土压平衡盾构刀盘优化设计与分析[J].机械制造与自动化,2017,46(03):144-147+188.DOI:10.19344/j.cnki.issn1671-5276.2017.03.041.)，没有充分考虑面板每个切削刀具的受力情况，这样优化得到的刀盘面板加强筋结构不能适用于盾构机面板工作时刀具的真实受力情况。

发明内容

为克服上述技术存在的缺点，本发明的目的在于提供了一种盾构机刀盘面板结构的特征重构式设计方法，提高了设计的效率与质量。

为达到以上目的，本发明采取的技术方案为：

一种盾构机刀盘面板结构的特征重构式设计方法，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：