【摘要】：全斷面掘進(jìn)機(jī)(Tunnel Boring Machine,簡(jiǎn)稱TBM)是集機(jī)械、電氣、液壓和自控于一體的專門用于地下隧道工程挖掘的大型施工設(shè)備,具有開挖快、優(yōu)質(zhì)、安全、經(jīng)濟(jì)并有利于環(huán)境保護(hù)和降低勞動(dòng)強(qiáng)度等優(yōu)點(diǎn)。國(guó)外相關(guān)方向的研究已取得較多研究成果,但大多由于商業(yè)因素處于保密狀態(tài)。因此,采用數(shù)字樣機(jī)技術(shù),在虛擬環(huán)境中真實(shí)模擬TBM的各種工作情況,快速分析多種設(shè)計(jì)方案,按照優(yōu)化建議或用戶需求修改參數(shù),得到改進(jìn)的數(shù)字樣機(jī),反復(fù)這個(gè)過程直至獲得系統(tǒng)優(yōu)化級(jí)的TBM設(shè)計(jì)方案。這對(duì)逐步形成具有自主知識(shí)產(chǎn)權(quán)的TBM相關(guān)設(shè)備、替代國(guó)外產(chǎn)品、提高我國(guó)在全斷面掘進(jìn)機(jī)設(shè)備方面的設(shè)計(jì)制造水平、降低施工成本等方面都具有重要意義。 本文以開發(fā)出具有自主知識(shí)產(chǎn)權(quán)的TBM關(guān)鍵部件集成開發(fā)系統(tǒng)為目標(biāo),在“十一五”國(guó)家重大科技支撐計(jì)劃項(xiàng)目——全斷面掘進(jìn)機(jī)(大型全斷面掘進(jìn)機(jī)研制)項(xiàng)目(2007BAF09B01)子課題“全斷面掘進(jìn)機(jī)數(shù)字樣機(jī)關(guān)鍵技術(shù)研究”與中央高�；究蒲袠I(yè)務(wù)費(fèi)資助項(xiàng)目(N090603006)“全斷面掘進(jìn)機(jī)虛擬樣機(jī)關(guān)鍵技術(shù)的研究”資助下,基于數(shù)字樣機(jī)技術(shù)對(duì)TBM整機(jī)以及關(guān)鍵零部件進(jìn)行了系統(tǒng)的仿真與測(cè)試分析,主要進(jìn)行了以下幾方面的研究。 (1)采用分布式虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù),結(jié)合VRML語言的交互性和Java/JavaScript語言的網(wǎng)絡(luò)優(yōu)越性,開發(fā)了一種可運(yùn)行于Web的TBM虛擬仿真系統(tǒng)。該系統(tǒng)畫面逼真、功能強(qiáng)大,不依賴于昂貴的大型虛擬現(xiàn)實(shí)設(shè)備,同時(shí)可在網(wǎng)絡(luò)上的傳輸,具有較好的交互性、真實(shí)性和經(jīng)濟(jì)性等�；赟GIOnyx4可視化系統(tǒng)以及Christie投影系統(tǒng)構(gòu)建了沉浸式TBM虛擬仿真系統(tǒng),完成了TBM的功能仿真與虛擬裝配測(cè)試,整個(gè)系統(tǒng)具有較強(qiáng)的沉浸感,有利于企業(yè)進(jìn)行TBM產(chǎn)品展示,為TBM的設(shè)計(jì)與改進(jìn)提供了理論依據(jù),節(jié)省了生產(chǎn)成本,縮短了設(shè)計(jì)周期。 (2)采用數(shù)字樣機(jī)技術(shù),通過對(duì)管片拼裝機(jī)的仿真分析,獲得了管片拼裝機(jī)的運(yùn)動(dòng)學(xué)和動(dòng)力學(xué)特性,為機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)及動(dòng)力系統(tǒng)的選型設(shè)計(jì)提供了依據(jù)。對(duì)管片拼裝機(jī)整機(jī)及其關(guān)鍵部件如微調(diào)機(jī)構(gòu)、齒輪接觸等進(jìn)行了性能評(píng)價(jià)與仿真分析,得出了不同工況下的危險(xiǎn)部位與應(yīng)力變形分布情況,并計(jì)算了典型工況下若干位形處的剛度,結(jié)果表明,所設(shè)計(jì)的機(jī)構(gòu)具有較好的剛度特性,為管片拼裝機(jī)的結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)提供了理論依據(jù)。 (3)采用數(shù)字樣機(jī)技術(shù),以TBM的關(guān)鍵部件刀盤及刀具為研究對(duì)象,進(jìn)行了性能評(píng)價(jià)與仿真分析。獲得了刀盤的運(yùn)動(dòng)學(xué)和動(dòng)力學(xué)特性,結(jié)果表明所設(shè)計(jì)的刀盤運(yùn)動(dòng)機(jī)理可行,結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)合理且滿足地下施工條件。采用有限元方法對(duì)刀盤及刀具進(jìn)行了性能評(píng)價(jià)、模態(tài)分析以及可靠性分析,驗(yàn)證了所設(shè)計(jì)的刀盤和刀具在不同的工況下的性能需求。 (4)采用三維數(shù)值模擬方法,通過建立巖石的損傷本構(gòu)模型對(duì)巖石破碎過程進(jìn)行了仿真分析,再現(xiàn)動(dòng)態(tài)破巖過程,彌補(bǔ)了二維仿真的不足。獲得了滾刀在不同的速度以及不同地質(zhì)條件下的切削參數(shù),驗(yàn)證了滾刀的受力模型和仿真模型的有效性。研究了最優(yōu)刀間距的確定方法,并采用LCM實(shí)驗(yàn)測(cè)試對(duì)仿真結(jié)果進(jìn)行了驗(yàn)證,證明了數(shù)值方法的有效性。在此基礎(chǔ)上建立了帶性能約束的多目標(biāo)滾刀布置模型,應(yīng)用優(yōu)化算法對(duì)滾刀分布模型進(jìn)行了優(yōu)化。 (5)分析了滾刀的磨損機(jī)理,滾刀常見的磨損形式以及滾刀磨損的原因與影響因素。基于巖石斷裂力學(xué)理論和CSM預(yù)測(cè)模型提出了一種新的TBM刀盤比能預(yù)測(cè)模型,并在此基礎(chǔ)上對(duì)復(fù)合地層的比能預(yù)測(cè)進(jìn)行了研究。確立了比能與滾刀間距以及貫入量之間的定量關(guān)系,建立了滾刀磨損的預(yù)測(cè)解析模型。結(jié)合秦嶺隧道工程實(shí)例,對(duì)TBM滾刀磨損水平進(jìn)行了量化研究,預(yù)測(cè)結(jié)果與實(shí)際情況相符,驗(yàn)證了模型的有效性。
[Abstract]:......
【學(xué)位授予單位】：東北大學(xué)
【學(xué)位級(jí)別】：博士
【學(xué)位授予年份】：2013
【分類號(hào)】：U455.3

【參考文獻(xiàn)】

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本文編號(hào)：2330145