表面应变重构的视觉识别方法

针对全断面岩石隧道掘进机刀盘在恶劣工况下的应变监测,本文提出了一种表面应变重构的视觉识别方法。通过图像中圆形标距中心点之间像素点数量的变化,得到标距的实际变形,并在此基础上结合柯西-格林公式进行表面应力重构。本文以隧道掘进机刀盘刀座和筋板2个关键位置为研究对象,设计了4330V和Q345-D共2种材料不同尺寸标准样件,搭建了基于视觉识别和基于应变片的2套测量系统,进行了拉伸载荷作用下的应变对比及样件表面应力重构。研究表明:本文基于视觉识别方法测得的2种材料标准件变形的误差范围为1.28%~3.23%,在此基础上,进行的材料表面应力重构的误差范围为2.20%~4.76%。本文方法可以实现变形的准确测量及实现多方向的应变和变形重构,为实现复杂结构的应变和变形测量奠定了坚实基础。

多滚刀顺次作用下岩石破碎模拟及刀间距分析

相邻滚刀刀间距设计是全断面岩石掘进机(TBM)刀盘设计的关键技术之一,刀间距设计的合理与否直接关系到刀盘刀具掘进效率和寿命.刀间距设计不仅与岩石边界条件、刀盘掘进参数及刀具参数有关,而且与刀盘结构相互耦合相互影响,且相邻滚刀之间是一种顺次破碎岩石的过程.基于有限元岩石破碎仿真平台RFPA2D,考虑相邻多滚刀的顺次约束关系,分别以2种典型岩石(泥质粉沙岩和花岗片麻岩)为边界条件,建立多滚刀顺次作用下垂直压入岩石的破碎仿真模型,模拟多滚刀在顺次压入和同时压入岩石的仿真过程,建立了刀间距与岩石破碎能量之间的映射关系,进而建立了多滚刀最优刀间距下顺次角度与岩石破碎能量之间的映射关系,通过此映射关系可以确定滚刀在刀盘上不同位置的最优刀间距和最优的顺次角度,并为下一步滚刀在刀盘盘面上的布置设计提供设计依据.

基于神经网络的复合材料应变场反演方法研究

针对飞机蒙皮关键位置载荷预测困难,难以实现结构全局应变场监测的问题,文中提出了一种基于深度神经网络的应变场重构方法。针对飞机蒙皮的易损伤特征设计了含孔试验件,通过疲劳试验机和应变片搭建了应变采集系统。针对有限元模型和真实响应之间的误差问题,采用最小二乘法修正有限元分析结果。建立神经网络训练数据集,并且使用多层算法针对各数据集进行神经网络架构及参数优化,实现了结构到应变的精确等效。结果表明:应变场重构模型预测准确率在90%以上,实现了从局部有限测量点到整体结构的全局应变重构理论。

不同模式下TBM刀群三维回转切削仿真与优化设计

针对TBM刀群回转切削问题,建立了17寸盘形滚刀刀群切削岩石的数值仿真模型,使用有限元仿真分析软件ANSYS LS-DYNA对不同工作模式下的盘形滚刀回转切削岩石工作过程进行仿真。仿真结果表明,通过对盘形滚刀刀间距进行优化设计,分析不同刀间距下滚刀的力学参数,得到在该地质条件下,中心滚刀最优刀间距为75 mm、正滚刀最优刀间距为80 mm;通过对边滚刀安装角度进行优化,分析不同安装角度下滚刀的力学参数,得到边滚刀最优安装角度为6.5°;通过对滚刀切削岩石的顺次切削角度进行优化,分析不同顺次切削角度下滚刀的力学参数,得到正滚刀最优顺次切削角度为30°、边滚刀为20°。

复合式土压平衡盾构机刀盘开口模式设计

复合式土压平衡盾构机在掘进过程中,刀盘开口模式直接影响碴土流动性,碴土流动性能够保证施工开挖面压力平衡,因此合理的刀盘开口模式是保证盾构系统内部压力稳定和掘进安全的关键。本文针对加入改性材料后具有一定流动特性的碴土,运用计算流体力学的方法,研究了不同刀盘开口方式对碴土流动性的影响。分别对比了相同和不同开口率下,对于同一性质的流体,盾构系统的压力传递情况,得到了系统轴向的压力分布规律。针对不同开口率得到了开口率大小与压力传递的关系,针对相同开口率得到了不同开口位置与压力传递的关系,为刀盘开口模式的结构设计提供依据。

隧道掘进机刀群与盘体支撑筋耦合布置设计

刀盘是全断面隧道掘进机(Tunnel boring machine,TBM)的关键部件,TBM刀盘系统设计直接关系掘进效率和可靠性。刀盘系统设计的关键是复杂岩石边界下刀群布置设计与刀盘盘体结构设计,二者相互耦合,相互影响。分析刀群与盘体支撑结构之间空间位置耦合以及支撑结构与刀盘强度刚度之间的非线性耦合关系,建立刀群与盘体支撑结构耦合布置优化模型,提出多子系统协同进化的刀具适应性布置与盘体结构耦合设计方法。以引洮工程为例进行验证,结果表明:支撑筋初始安装角与刀盘强度、刚度之间存在非线性函数关系,多子系统协同进化方法求解出的刀群与支撑筋耦合布置方案的最大等效应力、最大变形量、不平衡力矩、不平衡力、顺次角度等指标相比原方案降低了30%以上,以此证明提出的耦合优化模型及其求解方法的可行性和有效性,可为TBM刀盘系统设计提供一定的借鉴与方法支撑。

TBM刀盘支撑筋结构设计及静动态特性分析

全断面岩石掘进机(TBM)刀盘支撑筋兼具溜碴与支撑的作用,设计了一种L形的刀盘支撑筋结构,建立了基于出碴性能的刀盘支撑筋结构理论计算模型。该模型根据具体复杂围岩边界条件和掘进控制参数来确定刀盘支撑筋的主要结构参数。以某型号TBM刀盘溜碴板处支撑筋设计问题为例,将改进的刀盘模型与传统刀盘结构进行对比,分析了刀盘的静、动态特性。结果表明:改进后的刀盘结构可以有效地降低刀盘盘面最大应力、变形和振动,改善振动特性,其中刀盘盘面总变形减小了3.23%,应力降低了3.5%,刀盘整体振动减小了12.35%。

人机结合蚁群/遗传算法及其在卫星舱布局设计中的应用

卫星舱布局设计问题既存在计算复杂性的组合爆炸,又存在工程的复杂性。许多工程实践表明发挥人机各自特长能有效解决此问题。提出人机结合蚁群／遗传算法HCAGA的求解方法,该算法是将人工方案(人工解)和算法解用统一编码串形式编码,二者结合构成解群,共同参与该算法操作。给出了由计算机自动或人工决定人工方案(人工解)输入时机的两种方式,给出简化的三维卫星布局设计算例。用该算法与并行遗传算法(PGA)和蚁群算法(ACO)进行对比,结果表明该算法在获得工程满意解和计算效率方面较为优越。

考虑磨损的全断面硬岩掘进机主轴承寿命计算

主轴承是全断面硬岩掘进机传动系统的重要部件,在恶劣的服役环境下会因磨损疲劳复合作用导致寿命计算困难,分散性大,因此提出一种考虑磨损的TBM主轴承寿命预测模型。首先,为确定主推滚子载荷,建立主轴承载荷分布计算模型并通过有限元模型进行验证;然后,为获得滚子接触特性,建立滚子与滚道接触的局部有限元模型,以最大接触载荷为输入进行求解;最后,基于Archard磨损理论与连续损伤力学理论对主轴承疲劳寿命进行预测。某4.8 m级TBM主驱动轴承的寿命预测结果表明:滚子中心处不发生磨损,磨损深度从滚子中心到两端先增大后减小,导致最大接触应力从最初边缘处的1253 MPa增大至中心处的1584 MPa,滚子有效接触长度从94 mm增大至96 mm,计算得到主轴承寿命为15778 h。

全断面岩石掘进机刀具布置设计方法

给出了全断面岩石掘进机的刀具布置设计方法,归纳出刀具布置的技术要求,并给出刀盘上不等刀间距的盘刀破岩量的估算方法。建立了带复杂性能约束的非线性多目标刀具布置优化模型,进而在该模型目标函数及其约束条件的耦合分析和解耦的基础上,给出刀具布置极径与极角计算的分阶段求解策略,并用演化算法进行了求解。以引进的某型号全断面岩石掘进机刀具布置问题为案例进行验证,并与原刀具布置设计方案进行对比,表明了该布置优化模型及其求解方法的可行性和有效性。

不同TBM支撑结构形式下的围岩稳定性分析

针对TBM典型的X型支撑与水平支撑各自结构特点,考虑了II类和V类两种典型围岩情况,建立了基于LS-DYNA平台的两种支撑结构-围岩的接触失效仿真模型,分析了两种支撑结构与两类围岩不同接触面积下的相互作用过程.结果表明:在稳定性较好的II类围岩下,水平支撑仅能在接触面积为100%情况下保持围岩稳定;在稳定性较差的V类围岩下,无论水平支撑与围岩接触面积为多少,岩石均极易发生坍塌现象;对于X型支撑,无论针对II类围岩还是V类围岩,围岩都能保持较好的稳定性.分析结果将为今后全断面掘进机支撑结构选型设计提供一定的理论依据.

重载冲击激励下TBM刀盘振动特性的影响因素分析

刀盘是TBM的关键部件,刀盘的性能对TBM掘进性能影响很大。刀盘在掘进时承受的重载冲击扭矩和推力将导致剧烈振动,引起刀盘寿命下降甚至破坏以致影响掘进效率。基于ADAMS多体系统动力学仿真平台,建立了复杂因素影响下"辽西北"引水工程TBM主机系统的动力学模型,探讨了刀盘转速、刀盘拓扑形式和小齿轮速度波动与不同步等因素对刀盘振动性能的影响规律。仿真结果表明:为了减小刀盘振动,在设计TBM主机时应采取"铜钱"型拓扑形式,在控制TBM时应尽量避免驱动齿轮转速波动和不同步,在较低的刀盘转速下进行掘进。

TBM刀盘缩尺试验台设计及其静动态特性分析

由于实际TBM刀盘的直径较大(直径6 m以上),采用等比例实物刀盘进行相关实验研究代价较大且难实现,因此进行TBM刀盘缩尺模型研究有助于刀盘结构优化和延寿设计等研究的开展。依据相似理论,建立了TBM刀盘的材料、几何、载荷和动力等特征量相似参数集合,依据TBM刀盘实际掘进过程中的各项参数及多点冲击分布载荷特点,获取TBM刀盘缩尺试验平台的设计参数,构建了一套具有多种刀盘分体结构和刀具布置方式的TBM刀盘缩尺试验平台。运用Ansys Workbench和ADAMS软件对试验台进行静动力学仿真,得到缩尺刀盘刚度和阻尼与理论值相比误差小于5.3%,缩尺刀盘载荷曲线平均值误差小于4.2%,波动方差误差小于2.9%,验证了缩尺刀盘试验台静动态特性的相似性。

四缸双作用斯特林发动机平衡改进设计

四缸U型传动机构是斯特林发动机输出功率的核心部件,其设计的合理与否直接与斯特林发动机系统运行的稳定性、效率、寿命密切相关。基于四缸U型传动机构的特点,建立了传动机构动平衡配重的理论模型,获得了曲轴及输出轴上配重的质量和相位;进而基于多体动力学仿真平台,建立了4缸双作用斯特林发动机传动机构动力学仿真模型,为更真实地模拟曲轴实际运行状态,采用哑元及万向铰连接方法建立了曲轴等效模型,采用虚拟油膜的方法建立了滑动轴承支撑等效模型。动力学仿真结果表明:相比原传动机构模型,改进后的传动机构输出轴、左曲轴和右曲轴速度波动系数分别降低了11.5%、36.8%和34.4%;输出轴质心振动位移均值降低了20.0%;基座承受的动载荷均值降低了23.4%;验证了改进方案可行性和有效性,为斯特林机传动机构的设计提供一定的理论依据。

盾构机刀盘的力学分析与优化设计

复合型盾构机能同时切削软土和硬岩的特性使得复合型盾构机被广泛应用。刀盘作为复合型盾构机的关键部件,其应力分布是否合理,工作时是否发生共振,都是刀盘是否工作在安全范围内的关键。以大连刀盘为基础,分析了两种工况下刀盘的应力分布和最大变形,同时还考虑了刀盘可能会发生共振,对刀盘进行模态分析和谐响应分析,模态分析得到了刀盘的固有频率和前10阶振型图,谐响应分析得到了刀盘两处幅值最大的危险点。进而基于workbench平台建立了以刀盘强度和刚度为优化目标的刀盘支撑筋布置优化设计模型,获得了刀盘强度刚度与刀盘支撑筋位置之间的映射关系,采用多目标优化方法进行了有效求解,得到了等效应力和变形最小时的最优支撑筋截面直径参数。

滑动支撑的新型滚刀设计及其动态性能

盘形滚刀是全断面岩石掘进机中的重要组成部件,其失效将直接导致掘进效率迅速下降。在传统滚刀系统动态特性研究和滚刀结构基础上,设计了一种滑动轴承支撑的新型滚刀结构,采用滑动轴承进行径向回转支撑,刀体两侧对称安装两套推力滚子轴承以提高滚刀整体的强度和轴向刚度,进而以此新型滚刀结构为基础,建立了新型滚刀轴-侧向动力学理论模型。以17寸滚刀为例,与传统滚动轴承支撑的滚刀进行动态性能对比分析,动力学仿真结果表明:新型滚刀和传统滚刀的垂向最大位移分别为0.075 mm和0.217 mm,振动位移幅值降低了65.4%;侧向最大位移分别为0.010 7 mm和0.018 6 mm,振动位移幅值降低了42.3%。新型滚刀结构减振效果十分明显。

基于BP神经网络的TBM主轴承载荷谱预测

掘进机主驱动轴承是隧道掘进机主驱动系统的关键部件,复杂恶劣的工作环境对其提出了高可靠性的要求。为了研究主轴承的载荷谱编制方法,以复杂组合地层和刀盘刀具布局模型为基础,建立了刀盘动态载荷的仿真方法。将其作为主轴承的动态载荷边界,采用有限元仿真和BP神经网络相结合的方法,建立了TBM主轴承的载荷谱预测模型。仿真结果表明:在确定的掘进里程中,主驱动轴承的推力波动服从正态分布统计,倾覆力矩服从威布尔分布统计,滚子载荷服从对数正态分布。该载荷谱预测模型为主驱动轴承的设计校核提供了参考,同时也可以作为其疲劳可靠性分析的载荷条件。

重型板式给料机驱动链轮结构参数优化设计

大型破碎站是现代采矿业发展的标志性装备,目前该设备的研制对国外制造商依赖性较强,为打破国外垄断、实现国产化,有必要对其设计制造中的关键技术进行研究。重型板式给料机作为破碎站的关键部件,运行过程中承受剧烈振动与复杂冲击载荷,其中驱动链轮是给料机的主要传动部件,其结构性能是稳定、高效输送物料的关键。根据某型号重型板式给料机实际工作过程中驱动链轮的受载特点,建立了驱动链轮的三维参数化驱动模型。在此基础上,以驱动链轮的分度圆直径、滚子外径、齿宽为设计变量,将质量和应力作为优化目标,采用多目标遗传算法对链轮进行结构优化设计。优化结果表明:相较于原始方案,优化方案在实现轻量化目标的同时应力分布情况较好,优化后链轮质量减小19.1%,最大应力减小7.2%,重型板式给料机整机综合性能提升明显。

基于岩碴流动性的TBM出碴槽口选优设计

研究了在一定开口面积下,TBM刀盘的最优出碴槽布置方式.采用离散元方法(DEM)建立刀盘排碴仿真模型,以出碴槽结构尺寸、数量等参数为变量进行TBM岩碴流动性仿真实验.在出碴槽开口面积相同的前提下,提出了基于岩碴流动性的出碴槽设计规则:1尽可能采用对称式布置;2尽可能使用长、短出碴槽交替布置的方式;3适当减小长出碴槽的开口宽度以提高出碴过程的稳定性.以"引洮"工程为例进行了验证,结果表明,与原出碴槽结构相比,采用改进方案的刀盘的出碴效率和出碴稳定性分别提高了15.08%和11.97%.

卫星舱布局CAD系统:干涉计算和质量特性计算

以国际商用通讯卫星的卫星舱布局方案优化设计为背景,研究卫星舱基于Pro/Engineer软件的布局CAD系统的优化过程中前后两阶段粗精干涉计算和基于矩阵变换的质量特性计算的方法,以满足优化过程中既快速又精确的性能计算要求.文后数值实验表明本文干涉计算方法的必要性和有效性,本文质量特性计算方法可以既快又较精确地计算不规则或质量不均匀的待布物质量特性.