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盘形滚刀试验台龙门框架结构分析及优化设计研究

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目录

摘要

第一章 绪论

1.1 课题研究的背景及其意义

1.2 国内外研究现状

1.3 本课题研究的主要内容

第二章 滚刀破岩研究

2.1 岩石破碎过程分析

2.2 滚刀作用力下的破碎岩体研究

2.2.1 滚刀作用力下破碎岩体的机理

2.2.2 滚刀作用力下破碎岩体的力学模型

2.3 小结

第三章 滚刀试验台的结构分析

3.1 试验台总体方案设计

3.1.1 试验台功能设计要求

3.1.2 试验台功能模块映射

3.1.3 试验装置布局形式分析

3.2 试验台三维模型的建立

3.3 小结

第四章 试验台主体结构的有限元研究

4.1 有限元分析前处理

4.1.1 定义材料属性

4.1.2 有限元网格划分

4.1.3 载荷与边界条件

4.1.4 求解项设置

4.2 试验台主体结构的静力学研究

4.2.1 有限元静力学分析理论基础

4.2.2 有限元静力学分析

4.3 试验台主体结构的动力学研究

4.3.1 有限元模态分析理论基础

4.3.2 有限元模态分析

4.3.3 谐响应分析理论基础

4.3.4 有限元谐响应分析

4.4 小结

第五章 关键部件优化研究

5.1 横梁内部筋板优化研究

5.1.1 横梁内部筋板设计

5.1.2 横梁内部筋板优化设计的有限元静力学研究

5.1.3 横梁内部筋板优化设计有限元动力学研究

5.2 基于响应面和遗传算法立柱的多目标优化设计

5.2.1 理论基础

5.2.2 立柱的优化设计

5.3 床体的结构拓扑优化

5.3.1 有限元前处理

5.3.2 床体有限元静力学研究

5.3.3 床体有限元动力学分析

5.3.4 床体的结构拓扑优化设计

5.4 主体结构优化结果分析

5.5 应变测试试验

5.5.1 电阻应变的测试原理

5.5.2 测试系统

5.5.3 测试试验

5.5.4 测试结果分析

5.6 小结

第六章 滚压试验及数值模拟

6.1 试验准备

6.1.1 试验台

6.1.2 试样制备

6.1.3 测试系统

6.2 滚压试验

6.2.1 试验方案

6.2.2 滚压试验

6.3 数值模拟研究

6.3.1 LS-DYNA简介

6.3.2 滚刀掘岩过程模拟

6.3.3 结果分析

6.4 小结

第七章 总结与展望

7.1 论文工作总结

7.2 未来工作展望

参考文献

致谢

攻读硕士学位期间发表的学术论文目录

声明

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摘要

盾构机(TBM)是被普遍用于隧道掘进的设备。由于现实工程的复杂性及现有理论的局限性,试验台的模拟试验成了设计、施工、掘进参数改进的高效途径。通过对国内外研究现状了解后,初步研制试验台样机模型;为保证实验的可靠性与准确性,对样机模型进行有限元分析;找出其不足,对其进行优化设计,为试验提供可靠的试验平台。本文主要内容如下:
  (1)通过脆性硬岩破碎机理的研究,着重研究静压、滚压作用下岩石破碎理论与破岩力学模型;研究破岩滚刀的相关参数、钻掘参数和岩土参数等,为不同工况下切削力计算、试验台加载参数提供相关理论依据。
  (2)通过相关力学模型计算出极限工况下的切削力,确定试验台的合理加载参数范围与试验台总体设计方案;建立试验台样机三维模型,并对试验台进行结构分析。
  (3)对主体结构进行极限工况下的静力、模态、谐响应分析;了解到其固有频率范围为:97.202~559.39 Hz;最大变形X方向,位移峰值达0.24174 mm;其动刚度只有41.37 kN/mm;最大静应力为20.372MPa,发生在横梁;而床体的应力与变形位移都非常小;综合位移、应力、频率、振型、幅频特性曲线等结果,发现以下不足:1)立柱、横梁X方向上的变形位移相对较大,动静刚度明显不足;2)床体设计存在刚度—质量比不合理因素。
  (4)当材料、外壁与筋板厚尺寸参数确定的前提下,对十字交叉型、十字型、米字型、拱型和米字圆筒型五种筋板截面形状的横梁,进行动静特性比较、分析,得出米字型筋板截面的刚度—质量比为最优。选取三个尺寸参数作为设计变量、六个约束条件与四个目标函数,对立柱进行基于响应面和遗传算法的多目标优化设计;得到其输入、输出变量之间灵敏度关系、响应曲面及三组最优候选解集,并对优化尺寸值进行了修正;利用结构拓扑优化对床体结构进行优化设计,重量减少10.7%;将优化后主体结构进行相同约束、载荷条件下比较、分析,结果表明:其静动特性明显提高,保证其静刚度大于100 kN/mm的要求;最后,利用电阻应变测试了试验台结构变形位移。
  (5)针对破岩力的几个主要影响因素,在试验台进行实测试验发现:岩体破碎主要是由剪切、挤压、张拉共同作用的结果;将实测数据与LS-DYNA仿真得到的数据进行比较,结果表明试验值与仿真值相对差值较小,同时,说明试验与仿真有较好一致性。

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