盤(pán)形滾刀試驗(yàn)臺(tái)龍門(mén)框架結(jié)構(gòu)分析及優(yōu)化設(shè)計(jì)研究.pdf

1、盾構(gòu)機(jī)(TBM)是被普遍用于隧道掘進(jìn)的設(shè)備。由于現(xiàn)實(shí)工程的復(fù)雜性及現(xiàn)有理論的局限性，試驗(yàn)臺(tái)的模擬試驗(yàn)成了設(shè)計(jì)、施工、掘進(jìn)參數(shù)改進(jìn)的高效途徑。通過(guò)對(duì)國(guó)內(nèi)外研究現(xiàn)狀了解后，初步研制試驗(yàn)臺(tái)樣機(jī)模型;為保證實(shí)驗(yàn)的可靠性與準(zhǔn)確性，對(duì)樣機(jī)模型進(jìn)行有限元分析;找出其不足，對(duì)其進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)，為試驗(yàn)提供可靠的試驗(yàn)平臺(tái)。本文主要內(nèi)容如下:
　　(1)通過(guò)脆性硬巖破碎機(jī)理的研究，著重研究靜壓、滾壓作用下巖石破碎理論與破巖力學(xué)模型;研究破巖滾刀的相關(guān)參數(shù)

2、、鉆掘參數(shù)和巖土參數(shù)等，為不同工況下切削力計(jì)算、試驗(yàn)臺(tái)加載參數(shù)提供相關(guān)理論依據(jù)。
　　(2)通過(guò)相關(guān)力學(xué)模型計(jì)算出極限工況下的切削力，確定試驗(yàn)臺(tái)的合理加載參數(shù)范圍與試驗(yàn)臺(tái)總體設(shè)計(jì)方案;建立試驗(yàn)臺(tái)樣機(jī)三維模型，并對(duì)試驗(yàn)臺(tái)進(jìn)行結(jié)構(gòu)分析。
　　(3)對(duì)主體結(jié)構(gòu)進(jìn)行極限工況下的靜力、模態(tài)、諧響應(yīng)分析;了解到其固有頻率范圍為:97.202～559.39 Hz;最大變形X方向，位移峰值達(dá)0.24174 mm;其動(dòng)剛度只有41.37 kN

3、/mm;最大靜應(yīng)力為20.372MPa，發(fā)生在橫梁;而床體的應(yīng)力與變形位移都非常小;綜合位移、應(yīng)力、頻率、振型、幅頻特性曲線等結(jié)果，發(fā)現(xiàn)以下不足:1）立柱、橫梁X方向上的變形位移相對(duì)較大，動(dòng)靜剛度明顯不足;2）床體設(shè)計(jì)存在剛度—質(zhì)量比不合理因素。
　　(4)當(dāng)材料、外壁與筋板厚尺寸參數(shù)確定的前提下，對(duì)十字交叉型、十字型、米字型、拱型和米字圓筒型五種筋板截面形狀的橫梁，進(jìn)行動(dòng)靜特性比較、分析，得出米字型筋板截面的剛度—質(zhì)量比為最優(yōu)。

4、選取三個(gè)尺寸參數(shù)作為設(shè)計(jì)變量、六個(gè)約束條件與四個(gè)目標(biāo)函數(shù)，對(duì)立柱進(jìn)行基于響應(yīng)面和遺傳算法的多目標(biāo)優(yōu)化設(shè)計(jì);得到其輸入、輸出變量之間靈敏度關(guān)系、響應(yīng)曲面及三組最優(yōu)候選解集，并對(duì)優(yōu)化尺寸值進(jìn)行了修正;利用結(jié)構(gòu)拓?fù)鋬?yōu)化對(duì)床體結(jié)構(gòu)進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)，重量減少10.7％;將優(yōu)化后主體結(jié)構(gòu)進(jìn)行相同約束、載荷條件下比較、分析，結(jié)果表明:其靜動(dòng)特性明顯提高，保證其靜剛度大于100 kN/mm的要求;最后，利用電阻應(yīng)變測(cè)試了試驗(yàn)臺(tái)結(jié)構(gòu)變形位移。
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