Optimal design of structural parameters for shield cutterhead based on fuzzy mathematics and multi-objective genetic algorithm

In order to improve the strength and stiffness of shield cutterhead, the method of fuzzy mathematics theory in combination with the finite element analysis is adopted. An optimal design model of structural parameters for shield cutterhead is formulated,based on the complex engineering technical requirements. In the model, as the objective function of the model is a composite function of the strength and stiffness, the response surface method is applied to formulate the approximate function of objective function in order to reduce the solution scale of optimal problem. A multi-objective genetic algorithm is used to solve the cutterhead structure design problem and the change rule of the stress-strain with various structural parameters as well as their optimal values were researched under specific geological conditions. The results show that compared with original cutterhead structure scheme, the obtained optimal scheme of the cutterhead structure can greatly improve the strength and stiffness of the cutterhead, which can be seen from the reduction of its maximum equivalent stress by 21.2%, that of its maximum deformation by 0.75%, and that of its mass by 1.04%.

基于参数化建模方法的复合式盾构机刀盘力学性能分析与结构优化

刀盘是盾构机的核心部件之一,合理的刀盘结构设计是安全高效掘进的基础。为了快速高效建立刀盘有限元模型并分析其力学性能,采用基于APDL(ANSYS parametric design language)命令流开发的参数化建模方法,建立某型号复合式盾构机刀盘的数字模型。对刀盘施加极限工况下的推力和扭矩,通过静力学分析得到刀盘的应力分布和变形分布,确定最大应力和最大变形位置,校核刀盘的静强度和静刚度。进一步以刀盘总质量为优化目标,以刀盘强度和刚度为约束条件建立基于参数化建模的刀盘结构优化方法,提出刀盘结构优化流程。通过参数敏感性分析确定刀盘优化参数,探究相关参数对刀盘强度和刚度的影响。对复合式盾构机刀盘的关键参数进行优化。结果表明:优化后刀盘的最大应力降低了12%,最大变形降低了20%,质量减轻了119 kg。因此,基于参数化建模的优化方法可以提供刀盘的强度与刚度,并同时降低刀盘质量。研究成果可为后续多目标刀盘结构优化提供参考。

超大直径土压盾构刀盘载荷工况分析与结构优化

刀盘作为盾构机中的关键部件之一,不仅能起到挖掘土体的作用,同时还具有稳定掌子面和搅拌渣土的功能,其性能的优劣直接决定着盾构能否正常施工。为了超大直径盾构刀盘能在大推力、大扭矩及复杂地质的掘进环境下具有足够的结构强度和刚性,对刀盘的工作载荷工况和结构形式进行分析研究。以φ14.95 m的刀盘为例,通过ANSYS有限元软件分析刀盘副梁在相同载荷工况下竖板式结构和箱式结构的特性,并在箱式副梁刀盘本体与牛腿连接处加设加强肋后计算刀盘在均载工况、上软下硬工况及脱困工况下的变形和受力情况。研究表明:对于超大型土压盾构刀盘,箱式结构副梁的结构性能优于竖板式的,相同载荷下刀盘的最大应力值减小48.2%,总变形量减小26.4%;在牛腿与盘体焊接部位加设加强肋可以提高刀盘的整体结构强度和刚度,加设后刀盘最大应力减小6.4%,总变形量减小9.7%;刀盘在上软下硬工况下变形最大,脱困工况下局部应力最大。

盾构机滚刀刀箱受力分析与结构优化

根据盾构机滚刀刀箱的受力特点,利用有限元分析软件对等效应力、最大变形量及最大应力进行仿真分析,根据仿真结果,刀箱最大等效应力为38 MPa,最大变形量为0.0273 mm,安全系数为8.3,现有刀箱结构及材料能够满足施工的需要。根据分析结果对刀箱结构进行了优化,并利用有限元分析软件对优化后的刀箱进行受力分析,结果显示,优化后的刀箱最大等效应力为33 MPa,最大变形量为0.0166 mm,安全系数为9.55;优化前后刀箱最大等效应力降低了13.2%,最大变形量减少了39.2%,安全系数增加了15.1%,刀箱结构质量减少了8.6%,优化后的刀箱有利于保证整个盾构机的稳定运行。

正滚刀多目标优化布局与刀盘结构优化研究

为提高滚刀破岩效率,减少隧道掘进过程中更换滚刀次数,针对复杂岩石地质滚刀磨损速率不同和滚刀承受载荷差异化的特点,以滚刀磨损速率差异量、滚刀质心偏量、刀盘倾覆力矩为目标函数,结合滚刀分布的约束条件,建立了正滚刀布局优化模型.以济南某施工路段盾构机为例,进行正滚刀优化布局,优化后刀盘正滚刀磨损速率方差比优化前减小0.1347,质心偏量减小0.1097 mm,刀盘倾覆力矩减小9.6826 kN·m.同时为保证刀盘结构强度,通过疲劳分析发现盾构机刀盘疲劳寿命薄弱位置,并结合正滚刀布局优化完成了盾构机刀盘的结构优化,优化后刀盘最低疲劳寿命相比优化前提高52.10%,刀盘最小疲劳安全系数相比优化前提高12.11%.该研究可用于盾构机滚刀布局以及刀盘结构优化,对减少滚刀磨损量差异和提高隧道施工效率具有重大意义.

盾构机防扭块断裂分析及优化改造

盾构机是集机电液一体化的大型地下施工设备,是目前隧道施工重要的工具。防扭块的设计是为了防止盾体因一些客观因素发生小范围的扭转。通过对盾体扭转过程的受力分析,为有限元分析提供输入的变量参数数值,结合有限元分析的结果与实际防扭块断裂的情况,得出防扭块断裂的具体原因,以此对其进行结构优化,并对优化后的结构进行有限元分析,验证了改进后的结构的可靠性。

紧邻110kV高压线盾构接收及拆解关键技术研究

盾构施工过程中,若盾构接收井上方存在障碍物,会出现盾构机拆机后无法吊装等问题;以杭州地铁留祥路站接收井为背景,研究紧邻110kV高压线条件下盾构接收及拆解关键技术。结合现场实际情况,通过盾构接收吊装技术方案比选,拟定最优避障技术措施。超前设计优化盾构接收井结构及尺寸,接收井盾构吊装孔南移至高压线影响范围外,利用CAD模拟盾构机盾体平移路径,制定盾构机接收和平移方案。盾构机接收后,将后配套台车后撤至始发井吊出。通过油缸组件,将盾体和接收托架一起进行横向和纵向平移,并移动至南移后的吊装孔位置,然后进行盾体拆机吊装和运输。该技术的研究及应用,确保了施工安全和工期。