基于可靠性的TBM刀盘轻量化设计

论文摘要

全断面岩石掘进机（TBM）施工环境十分恶劣,刀盘是TBM的核心部件之一,直接影响掘进机的效率、稳定、寿命等,施工过程中必须保证刀盘的可靠性。结构可靠性是一种不同于传统安全系数理论的不确定性力学模型,是从概率角度度量结构的可靠性大小。本文将力学、数理统计以及工程试验数据结合起来,首先对TBM刀盘结构可靠性设计方法进行了研究,在确定了刀盘拓扑结构之后,引入强度和刚度可靠度约束,实现了刀盘的轻量化设计。主要研究内容包括以下几个方面：刀盘可靠度的求解：对于刀盘结构的强度和刚度可靠度,外部随机载荷对强度和刚度的影响需通过有限元方法获得,其功能函数为隐式函数。对于隐式功能函数的可靠度求解,蒙特卡洛方法是基本方法,但是需要大量的有限元计算,而基于梯度的可靠度求解方法则无法使用,因而有必要通过机器学习获取功能函数的替代函数来取代有限元计算过程。本文采用支持向量机（SVR）方法构造替代模型。对于小样本,SVR有很高的拟合精度,然后结合蒙特卡洛模拟求解可靠度。刀盘结构设计：TBM刀盘的结构设计涉及多学科,十分复杂。本文在课题组TBM刀盘研究方法成果基础上,对刀盘掘进过程中滚刀受到的载荷进行了研究,同时,归纳总结了TBM刀盘的通用结构特征,编写了基于ANSYS的通用刀盘参数化建模计算APDL程序。有限元概率设计：在确定了刀盘拓扑结构之后,对其筋板厚度进行优化。为提高优化效率,须选择对应力和变形最为敏感的参数作为优化变量。本文基于ANSYS的概率设计系统确定优化变量。然后使用优化变量和滚刀载荷一起作为输入变量,以应力和变形结果作为输出,计算支持向量机所需的样本数据。基于可靠度的刀盘轻量化设计：在确定了强度和刚度可靠度作为约束,以刀盘重量为目标,选择粒子群优化算法进行优化。优化完成后,选择一组最优的参数组合,使用ANSYS验证该组最优参数在给定分布的随机载荷下是否可以保证可靠度约束。本文建立了一套完整的刀盘设计-建模计算-可靠度求解-优化方法,通过对引洮工程T9刀盘进行数值试验和验证,该方法具有很高的模拟精度,当刀盘强度和刚度可靠度均大于0.99时,刀盘减轻了2.43%,约为2.02t,这表明本文的方法可以推广到其它隧道的TBM刀盘设计中。

论文目录

• 摘要
• Abstract
• 1 绪论
• 1.1 课题的研究背景及意义
• 1.2 TBM刀盘结构设计的国内外概况
• 1.2.1 滚刀破岩机理
• 1.2.2 刀盘盘体结构设计
• 1.3 结构可靠度理论的研究现状
• 1.4 支持向量机概述
• 1.5 本文主要研究内容
• 2 结构可靠度理论及计算方法
• 2.1 结构可靠度基础
• 2.1.1 结构可靠度的概念
• 2.1.2 影响随机力学的不确定性
• 2.1.3 结构功能函数
• 2.1.4 可靠度指标
• 2.2 结构可靠度计算方法
• 2.2.1 蒙特卡罗模拟法
• 2.2.2 近似可靠度计算方法
• 2.3 隐式功能函数的结构可靠性分析
• 2.4 TBM刀盘的强度和刚度可靠度
• 2.5 本章小结
• 3 基于支持向量机的可靠度计算
• 3.1 支持向量机
• 3.1.1 支持向量机回归算法
• 3.1.2 SVM核函数选取和参数影响探讨
• 3.2 SVM的参数寻优方法
• 3.2.1 交叉验证法
• 3.2.2 启发式算法参数寻优
• 3.3 基于SVR-MCS计算TBM刀盘可靠度
• 3.3.1 生成训练样本
• 3.3.2 训练样本归一化
• 3.3.3 训练参数选择
• 3.3.4 可靠度计算
• 3.4 本章小结
• 4 TBM刀盘结构的优化设计
• 4.1 TBM刀盘结构设计关键技术
• 4.1.1 布局设计
• 4.1.2 拓扑结构
• 4.1.3 支撑结构
• 4.2 TBM刀具随机载荷
• 4.3 TBM刀盘结构优化
• 4.3.1 刀盘APDL模型的建立
• 4.3.2 优化变量的确定
• 4.3.3 优化目标和约束
• 4.4 粒子群优化算法（PSO）
• 4.5 本章小结
• 5 工程实例验证
• 5.1 引洮工程T9盘参数
• 5.2 APDL参数化建模及优化变量的确定
• 5.3 根据地质条件预估刀具载荷
• 5.4 训练样本和预测样本
• 5.5 利用支持向量回归机训练替代函数
• 5.5.1 应力替代函数
• 5.5.2 变形替代函数
• 5.5.3 体积替代函数
• 5.6 PSO优化结果分析
• 5.7 优化结果有限元验证
• 5.8 本章小结
• 结论
• 参考文献
• 攻读硕士学位期间发表学术论文情况
• 致谢