基于数字化样机技术的泥水盾构管片拼装机仿真研究

论文摘要

隧道是现代工程建设的一个重要部分,隧道建设使用的主要设备是全断面掘进机。管片拼装机是全断面掘进机中的重要部件之一,是一种高效率、高精度、高智能的拼装设备,是后配套设备中的一个关键子系统。它的主要任务是在隧道掘进过程中,将预制好的钢筋混凝土管片拼装成隧道衬砌,来支撑和保护已经开挖过的隧道,防止隧道塌陷。管片拼装机的结构性能和动态特性影响着管片拼装机的寿命、工作稳定性以及管片的拼装精度。我国在盾构机的研发方面缺乏核心技术,生产的管片拼装机性能较差,与日本、美国、德国等发达国家相比有很大的差距。近年来,随着盾构机国产化的进行,我国在管片安装机的研发技术上取得了一些成果。数字化样机技术是建立在计算机技术基础上的一项重要技术,计算机技术的迅速发展使数字化样机技术快速成熟起来。数字化样机技术能够帮助工程师解决许多传统方法不能解决的复杂问题,尤其是大型机械工作性能的分析预测和试验验证。利用数字化样机技术可以节省大量时间和成本,所以它被广泛地应用于各个领域。本文以Φ11.18m泥水平衡式全断面掘进机的管片拼装机为研究对象,利用数字化样机技术对管片拼装机进行仿真分析。分析了管片拼装机的结构和工作原理,并在此基础上利用PRO/E三维建模软件建立了管片拼装机主要零部件的数字化模型,进行了模型的装配和干涉检验,完成了拼装机的数字样机开发。然后通过接口数据转换将模型从PRO/E导入ADAMS中,进行刚体动力学仿真,得到平移驱动力、旋转驱动力矩、提升驱动力以及提升油缸尾端和拼装头末端的载荷变化曲线；通过对0°、90°和180°三个极限贴片角度下的仿真,得到了拼装头末端的最大载荷。将载荷作为边界条件,对拼装头进行有限元分析,得到三种工况下拼装头的应力和变形,由此对拼装头进行结构分析,为结构优化提供参考。最后基于ANSYS和ADAMS,建立管片拼装机的刚柔耦合模型,分别将拼装头和拼装机大梁替换为柔性体,进行动力学仿真分析,研究拼装头和大梁的柔性变形对拼装头末端运动参数的影响,以及拼装机的平移和旋转运动对大梁变形的影响；分析了不同贴片周期和贴片角度下拼装头的动态特性,得到的分析结果可为拼装机的工步规划提供参考。

论文目录

• 摘要
• Abstract
• 第1章 绪论
• 1.1 本课题的研究背景及意义
• 1.1.1 课题研究背景
• 1.1.2 课题研究意义
• 1.2 管片拼装机概述
• 1.2.1 管片拼装机简介
• 1.2.2 国内外管片拼装机研究状况
• 1.2.3 管片拼装机发展趋势
• 1.3 本课题的研究内容
• 第2章 管片拼装机数字化样机开发
• 2.1 数字化样机技术
• 2.1.1 数字化样机的涵义和内容
• 2.1.2 数字化样机的特点
• 2.1.3 数字化样机的应用与发展
• 2.2 管片拼装机数字化建模
• 2.2.1 PRO/E建模方法
• 2.2.2 管片拼装机结构和工作原理
• 2.2.3 管片拼装机主要零部件模型
• 2.2.4 管片拼装机装配模型
• 2.3 本章小结
• 第3章 管片拼装机刚体动力学仿真
• 3.1 ADAMS软件简介
• 3.2 动力学基本理论
• 3.2.1 多体系统动力学概述
• 3.2.2 多刚体系统动力学方法
• 3.2.3 多刚体系统动力学建模理论
• 3.3 管片拼装机刚体动力学仿真分析
• 3.3.1 Pro/E和ADAMS的数据传递
• 3.3.2 ADAMS中物理模型的建立
• 3.3.3 工步规划
• 3.3.4 仿真结果
• 3.4 本章小结
• 第4章 拼装头的有限元分析
• 4.1 有限元思想和方法
• 4.1.1 有限元思想
• 4.1.2 有限元法的基本步骤
• 4.2 有限元软件简介
• 4.3 拼装头有限元分析
• 4.3.1 模型导入
• 4.3.2 有限元模型建立
• 4.3.3 施加载荷和边界条件
• 4.3.4 分析结果
• 4.4 本章小结
• 第5章 管片拼装机的刚柔耦合动力学仿真分析
• 5.1 刚柔混合系统概述
• 5.2 刚柔耦合建模方法
• 5.3 基于刚柔耦合模型的拼装头仿真分析
• 5.3.1 刚柔耦合模型的建立
• 5.3.2 仿真分析结果
• 5.4 基于刚柔耦合模型的拼装机大梁仿真分析
• 5.4.1 拼装机大梁柔性变形对拼装头末端运动的影响
• 5.4.2 拼装机运动对大梁变形的影响
• 5.5 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