全断面掘进机关键功能部件虚拟样机研究

论文摘要

21世纪人类进入地下空间开发和利用的世纪,世界各国日益重视地下空间的开发和利用,地下的施工机械也在迅猛的发展。全断面掘进机作为地下施工的主要设备已经被广泛的应用于各类城市地铁、公路隧道、过江隧道及城市给排水系统的施工中。作为全断面掘进机的核心功能部件的管片拼装机和刀盘对整个地下施工具有重要的影响。因此具有良好的工作性能的管片拼装机与刀盘就显得非常重要。本文以沈阳北方重工集团全断面掘进机国家重点实验室Φ3.2米多功能全断面掘进试验机为平台对其管片拼装机与刀盘进行仿真研究。本论文的主要研究工作内容如下几方面：(1)首先阐述了课题的研究背景,介绍了全断面掘进机的类型、结构及其工作原理,并重点介绍了全断面掘进机的关键功能部件管片拼装机与刀盘的类型、结构形式、工作原理以及国内外的研究情况。(2)简要地介绍了虚拟样机技术概念、形成发展过程以及技术特点和应用情况；系统地介绍了虚拟样机技术的核心理论——多体系统动力学理论,并简要的介绍了在工程领域广泛应用的系统动力学软件ADAMS;最后介绍了有限单元法理论及有限元软件ANSYS。(3)对Φ3.2米全断面掘进机的管片拼装机、刀盘的组成结构、工作原理及主要技术参数进行了简要介绍,并利用三维建模软件Pro/E对管片拼装机及刀盘的各个零部件进行了数字化建模与装配。(4)利用虚拟样机软件ADMAS对全断面掘进机的管片拼装机进行了运动学和动力学仿真。得到了管片拼装机各机构的运动规律、运动参数和动力荷载。并以微调机构油缸1为例,对该油缸进行了设计计算；同时对刀盘做了运动学和动力学仿真,模拟刀盘掘进过程中的受力,得到不同开挖时刻刀盘的受力情况,这为后继刀盘的有限元分析提供了边界条件。(5)利用有限元软件ANSYS对管片拼装机整机进行结构静力学分析,分析在该工况下管片拼装机的应力状况、各部分的变形情况。找出管片拼装机的受力、变形薄弱环节,对其进行强度、刚度校核；对管片拼装机的传动齿轮进行了接触分析,分析齿轮的齿面及齿根应力变化情况并对其进行强度校核；对刀盘进行静力学分析,分析在外载荷作用下刀盘各部位应力分布大小及变形情况。找出整个刀盘的强度、变形薄弱环节,并对其进行强度和刚度的校核；对刀盘做模态分析,得到了刀盘的固有频率和振型。找到刀盘各部位振动的强弱分布及抗振薄弱区,揭示不同频率下刀盘的动态特性；对刀盘做可靠性分析,研究在不确定因素作用下刀盘失效的概率并确定影响刀盘失效的主要因素。

论文目录

• 摘要
• Abstract
• 第1章 绪论
• 1.1 课题研究背景
• 1.2 全断面掘进机概述
• 1.2.1 管片拼装机简介
• 1.2.2 刀盘简介
• 1.3 全断面掘进机关键功能部件研究现状
• 1.3.1 管片拼装机研究现状
• 1.3.2 刀盘研究现状
• 1.4 本论文的研究目的与内容
• 1.4.1 研究目的
• 1.4.2 研究内容
• 1.5 本章小结
• 第2章 虚拟样机技术及其理论
• 2.1 虚拟样机技术概述
• 2.1.1 虚拟样机技术概念
• 2.1.2 虚拟样机技术形成和发展
• 2.1.3 虚拟样机技术特点
• 2.1.4 虚拟样机技术应用
• 2.2 多体系统动力学理论与ADAMS软件
• 2.2.1 多体系统动力学概述
• 2.2.2 多体刚体系统动力学的研究方法
• 2.2.3 虚拟样机技术的实现与ADAMS软件
• 2.3 有限单元法理论与ANSYS软件
• 2.3.1 有限元的基本思想
• 2.3.2 有限元法分类
• 2.3.3 有限元典型分析步骤
• 2.3.4 ANSYS软件简介
• 2.4 本章小结
• 第3章 全断面掘进机关键功能部件模型的建立
• 3.1 Pro/E软件简介
• 3.2 管片拼装机数字化模型的建立
• 3.2.1 管片拼装机结构组成
• 3.2.2 管片拼装机的工作原理及功能
• 3.2.3 管片拼装机主要技术参数
• 3.2.4 管片拼装机各机构零件的建模与装配
• 3.3 刀盘数字化模型的建立
• 3.3.1 刀盘结构组成
• 3.3.2 刀盘的工作过程
• 3.3.3 刀盘的技术参数
• 3.3.4 刀盘的建模与装配
• 3.4 本章小结
• 第4章 全断面掘进机关键功能部件仿真分析
• 4.1 管片拼装机虚拟样机仿真分析
• 4.1.1 拼装管片的工作路线与时间规划
• 4.1.2 Pro/E与ADAMS模型转化及数据传递
• 4.1.3 管片拼装机虚拟样机模型的建立
• 4.1.4 管片拼装机运动学仿真及分析
• 4.1.5 管片拼装机动力学仿真及分析
• 4.1.6 管片拼装机液压油缸设计计算
• 4.2 刀盘虚拟样机仿真分析
• 4.2.1 刀盘虚拟样机模型的建立
• 4.2.2 刀盘掘进过程仿真及分析
• 4.3 本章小结
• 第5章 全断面掘进机关键功能部件有限元分析
• 5.1 管片拼装机的有限元分析
• 5.1.1 管片拼装机的整机结构静力分析
• 5.1.2 管片拼装机齿轮接触有限元分析
• 5.2 刀盘有限元分析
• 5.2.1 刀盘结构静力分析
• 5.2.2 刀盘模态分析
• 5.2.3 刀盘结构可靠性分析
• 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