复合型土压平衡盾构刀盘布刀规律研究及刀盘CAD系统开发

论文摘要

随着我国经济的快速发展,基础工程建设需求与日俱增,盾构法俨然已成为轨道交通、市政管线、引水灌溉、西气东输等工程建设项目的主要施工方式。刀盘作为盾构机的关键部件,其作用主要是破碎剥离岩土、实现碴土过流以及支撑开挖界面。刀盘上合理的刀具布置是保证盾构机高效稳定掘进的前提,也是保证刀盘受力平衡,提高掘进界面稳定性,延长刀盘刀具以及大轴承寿命的关键。在查阅大量国内外文献的基础上,对复合型土压平衡盾构刀盘上刀具布置规律和刀盘CAD系统的开发进行了相关研究,论文主要研究工作如下：(1)分析了复合型土压平衡盾构刀盘典型刀具的布置规律。首先分析了滚刀的布置方式；采用UDEC对双刀顺次加载进行数值模拟,计算刀具切削比能耗,根据比能耗最小原则确定滚刀最优刀间距,并通过切削实验和工程应用验证了该数值仿真方法的可行性；结合实际刀盘分析了复合型土压平衡盾构刀盘上刮刀布置的两种常见方式。(2)采用遗传算法对滚刀布置优化模型进行求解。根据复合型土压平衡盾构刀盘的构形特点,将刀盘按开口分为8类,由此获得滚刀布置区域；以最小化刀盘不平衡力和破岩量差异为优化目标建立滚刀布置优化模型,采用分段方式进行求解；以深圳市地铁线路某盾构施工标段用刀盘的滚刀布置设计为例,验证了该滚刀布置优化模型和遗传算法求解该模型的可行性和有效性。(3)初步开发了复合型土压平衡盾构刀盘CAD系统。说明了目标系统要实现的基本功能,并提出了相应的设计要求；以三维软件SolidWorks作为开发平台,以Visual Basic作为开发工具,采用编程法与基于模板法相结合的方式实现参数化建模功能；最后结合深圳市地铁线路某施工标段的工程需求,应用所开发的复合型土压平衡盾构刀盘CAD系统针对具体地质条件,设计了相应的刀盘。

论文目录

• 摘要
• ABSTRACT
• 目录
• 第一章 绪论
• 1.1 课题研究背景及来源
• 1.1.1 课题研究背景
• 1.1.2 课题来源
• 1.2 国内外研究现状
• 1.2.1 刀具破岩机理研究进展
• 1.2.2 刀具布置研究进展
• 1.2.3 刀盘设计相关软件研究进展
• 1.3 课题研究目的及意义
• 1.4 本文的主要研究内容
• 第二章 典型刀具布置规律研究
• 2.1 刀具切削破岩机理与载荷分析
• 2.2 复合型土压平衡盾构刀盘滚刀布置方式
• 2.3 滚刀最优刀间距设计方法
• 2.3.1 基于UDEC仿真的滚刀最优刀间距设计方法
• 2.3.2 实验验证
• 2.3.3 工程应用
• 2.4 复合型土压平衡盾构刀盘刮刀布置方式
• 2.4.1 阿基米德螺旋线布置方式
• 2.4.2 同心圆对称布置方式
• 2.5 小结
• 第三章 复合型土压平衡盾构刀盘滚刀布置优化设计方法
• 3.1 复合型土压平衡盾构刀盘滚刀布置区域
• 3.1.1 复合型土压平衡盾构刀盘分类
• 3.1.2 复合型土压平衡盾构刀盘滚刀布置区域的数学描述
• 3.2 复合型土压平衡盾构刀盘滚刀优化布置模型
• 3.2.1 滚刀布置数学问题
• 3.2.2 滚刀布置基本原则
• 3.2.3 优化模型目标函数
• 3.2.4 优化模型约束条件
• 3.3 优化模型求解策略
• 3.3.1 遗传算法基本思想
• 3.3.2 遗传算法流程
• 3.4 工程应用
• 3.4.1 工程概况
• 3.4.2 计算求解域
• 3.4.3 优化计算
• 3.4.4 分析与讨论
• 3.5 小结
• 第四章 复合型土压平衡盾构刀盘CAD系统开发
• 4.1 需求分析
• 4.2 系统框架
• 4.3 系统开发
• 4.3.1 SolidWorks API对象接口
• 4.3.2 系统开发工具
• 4.3.3 参数化建模方法
• 4.3.4 二次开发过程
• 4.4 工程应用
• 4.5 小结
• 第五章 总结与展望
• 5.1 论文工作总结
• 5.2 后续工作展望
• 参考文献
• 致谢
• 攻读学位期间的主要研究成果