全断面掘进机数字样机开发

论文摘要

传统的产品设计开发流程一般为方案设计、图纸设计、制造实物样机和实物样机试验直至产品投产上市,该过程周期过长,成本费用过高,不能满足企业对质量、效率以及成本的综合要求。而数字样机技术作为产品设计开发的一项全新技术,它的出现和发展给传统的产品设计方法带来了一次革命。应用这项技术,工程师在建立产品的数字模型之后可以对它进行各种计算机仿真分析,在产品设计阶段发现其中的潜在问题和不足之处,并快速修正设计错误、改进设计方案。因此,在产品设计过程中应用数字样机技术可以减少对实物样机的依赖,这样不仅可以降低开发成本,缩短产品开发周期,而且可以提高设计质量和产品性能,增强企业的竞争力。全断面掘进机也叫盾构机,是盾构工法施工的专用工程机械,它根据不同的地质条件,采用相适应的盾构机,通过计算机精确控制,在地下向前掘进,同时尾部拼装上可以承受巨大压力的相互咬合的管片,从而形成一条高质量的隧道。由于盾构机施工具有机械化程度高,施工速度快,质量有保障,安全性高,适用性广,对地面建筑影响少,有利于环保等优点,已被广泛应用于地铁、公路、铁路、输气、输水、市政、水电隧道等大型工程。全断面掘进机作为一种结构复杂且高度自动化的机电产品,它的设计对于运动性能、动力学性能以及机械结构性能等方面都有着严格的要求。为了保证盾构机的设计质量,缩短设计周期并有效降低设计成本,要将数字样机技术应用到该产品的整个设计流程中。本论文以EPBΦ6.28m土压平衡式盾构机为研究对象,建立了其三维数字模型,并在该模型的基础上分别建立它的运动仿真模型,有限元模型,在完成仿真分析之后全面评估了盾构机的结构性能、运动及动力学性能,为设计提供了质量保证,也为盾构机的改进提供了可靠的理论依据。本文采用数字样机技术有效地实现了盾构机的建模与仿真,这种方法不只是适用于盾构机的设计开发,其它型号的全断面掘进机也可以应用同样的方法和思路,并且还可以推广到其它一些复杂机械系统的研究、设计和开发中去,因此本文的研究方法及结论具有重要的实用价值。

论文目录

• 摘要
• Abstract
• 第1章 绪论
• 1.1 本论文的研究背景
• 1.2 数字化设计与制造发展现状
• 1.2.1 数字化设计与制造的内涵
• 1.2.2 数字化设计与制造的历史进程
• 1.2.3 数字原型——虚拟现实
• 1.2.4 数字化设计与制造技术发展趋势
• 1.3 盾构机的发展现状
• 1.4 课题研究内容
• 1.5 论文的主要内容
• 第2章 盾构机数字建模设计
• 2.1 CATIA简介
• 2.2 机构数字化建模基本理论
• 2.2.1 几何建模方法
• 2.2.2 特征造型
• 2.2.3 参数化造型
• 2.3 机构零部件数字化建模实例分析
• 2.3.1 盾构机刀盘的建模
• 2.3.2 管片拼装机的建模
• 2.3.3 其它部件的建模
• 2.4 机构的虚拟装配仿真
• 2.4.1 虚拟装配技术的基本理论
• 2.4.2 盾构机虚拟装配工艺规则
• 2.4.3 盾构机的虚拟装配
• 2.4.4 盾构机虚拟装配干涉检验
• 2.5 本章小结
• 第3章 盾构机的运动仿真
• 3.1 引言
• 3.2 CATIA-DMU Kinematics模块简介
• 3.3 各部件的运动仿真
• 3.3.1 刀盘的运动仿真
• 3.3.2 螺旋输送机的运动仿真
• 3.3.3 管片拼装机的运动仿真
• 3.4 本章小结
• 第4章 盾构机动力学分析理论
• 4.1 引言
• 4.2 盾构机动态性能研究内容
• 4.3 有限元模态分析理论
• 4.3.1 固有频率和主振型
• 4.3.2 主振型正交性
• 4.4 CATIA Analysis & Simulation有限元分析模块介绍
• 4.5 本章小结
• 第5章 盾构机前盾的动态特性仿真分析
• 5.1 前盾的静力学仿真分析
• 5.2 前盾的动力学仿真分析
• 5.2.1 利用Analysis & Simulation模块分析前盾模态
• 5.2.2 分析结果
• 5.2.3 提高结构刚度综合分析
• 5.3 本章小结
• 第6章 结论与建议
• 6.1 结论
• 6.2 建议
• 参考文献
• 致谢