全断面岩石掘进机数字样机开发与仿真相关技术研究

摘要

全断面岩石掘进机以其先进性、安全性以及环境友好性已经成为高速交通、水电工程、市政建设等大型工程中各种长大隧道施工的首选装备。我国正大力开展研发、设计和制造具有自主知识产权的国产装备的相关工作，但隧道开挖过程复杂而且影响因素众多，还存在大量值得深入研究的问题。本文以数字样机技术为基础，结合数值仿真技术针对全断面岩石掘进机盘形滚刀破岩机理相关问题进行了研究;建立了盘形滚刀受力模型并进行试验验证;对掘进机数字样机的功能仿真、虚拟装配等一些亟待解决的关键技术问题进行深入研究。论文主要包含以下几个方面的研究内容。 (1)根据盘形滚刀空间运动规律，建立了滚刀破岩刃运动学方程并推导破岩弧长的理论公式。考虑到掌子面不断更新变化，提出一种新算法，利用空间几何理论及坐标变换矩阵法对盘形滚刀破岩刃的运动学规律进行研究。采用MATLAB编程，计算滚刀破岩刃各点破岩弧长，得到其在掌子面上产生的理论压碎轨迹图形。在此基础上对盘形滚刀破岩刃磨损规律进行分析。 (2)根据盘形滚刀作用下岩石内部裂纹形成和扩展的特点，利用历史文献对模拟岩石破裂问题的数值方法进行了比较研究。基于光滑粒子流方法的基础理论及其工程应用范围，探讨其应用于滚刀破岩仿真研究的可行性。 (3)针对全断面岩石掘进机刀具选型和刀盘布局的问题，采用光滑粒子流方法和有限元方法复合建模，对全断面岩石掘进机常用的V型和常截面盘形滚刀在同时加载和顺次加载不同工况下的侵入破岩过程进行二维数值仿真研究，得到了不同截面滚刀在不同工况下动态破岩过程中岩石裂纹的产生和扩展过程，并进行了分析。 (4)针对盘形滚刀动态破岩力预测问题，对推力和滚动力作用下滚刀动态破岩过程进行试验和仿真研究。仿真过程中岩石采用无网格粒子和有限元网格复合建模，利用光滑粒子流方法对岩石破碎过程中大应变和大变形问题进行求解。对盘形滚刀破岩进行了全尺寸线性切割试验，将仿真结果与试验结果、科罗拉多矿业学院模型进行对比验证。通过一系列顺次破岩仿真试验，研究了贯入度、刀间距、滚刀半径、刀位安装半径等参数对滚刀受力特性的影响。 (5)应用数字样机技术，构建了Φ5.75m全断面岩石掘进机数字样机;对掘进机的主要构件进行了不同工况的有限元分析;以三维模型为起点，建立基于OpenFlight数据格式的全断面岩石掘进机几何模型库;利用视景仿真软件Vega构建掘进机施工场景，可以在虚拟现实环境中实现岩石掘进机的工作原理展示。 (6)基于虚拟现实技术开发一套具有高级人机交互功能的专用虚拟装配系统，可在非常具有沉浸感的虚拟环境中模拟全断面岩石掘进机的装配和拆卸过程。虚拟装配系统包括硬件架构、数字模型和软件架构三大部分。通过该系统可以对典型的全断面掘进机行虚拟装配操作，改善装配工艺，从而为产品开发设计提供理论依据，节省生产成本，缩短产品的生产周期。该系统也可以对装配人员进行虚拟操作培训，具有非常明显的研究价值与经济效益。

目录

声明

摘要

1．1研究背景和意义

1．2全断面岩石掘进机国内外发展研究现状

1．2．1全断面岩石掘进机发展概述

1．2．2相关技术国内外研究成果

1．3论文主要研究工作与拟采取的研究方法

1．3．1盘形滚刀运动学规律及破岩弧长研究

1．3．2盘形滚刀动态破岩仿真相关理论的研究

1．3．3盘形滚刀作用下岩石内部裂纹形成和扩展的研究

1．3．4盘形滚刀动态破岩力试验与仿真研究

1．3．5数字样机开发及功能仿真研究

1．3．6全断面岩石掘进机虚拟装配系统开发研究

1．4本章小结

第2章掌子面变化对盘形滚刀破岩弧长的研究分析

2．1引言

2．2盘形滚刀破岩弧长理论推导

2．2．1滚刀破岩运动学模型建立

2．2．2一次破岩弧长公式的推导

2．3考虑掌子面变化的一次破岩弧长计算模型

2．3．1建立虚拟掌子面

2．3．2坐标系统建立

2．3．3盘形滚刀模型

2．3．4掌子面变形算法

2．3．5一次破岩弧长算法

2．3．6模型验证

2．4模型计算实例及分析

2．4．1掌子面变形结果与分析

2．4．2破岩刃上各点的一次破岩弧长分布

2．4．3刀位安装半径对一次破岩弧长的影响分析

2．4．4弧长磨损系数计算分析

2．4．5滚刀截面形状对掌子面变形的影响分析

2．5本章小结

第3章盘形滚刀动态破岩仿真基础理论研究

3．1引言

3．2盘形滚刀作用下岩石裂纹形成特点分析

3．3破岩问题中常用数值方法的比较研究

3．3．1位移不连续法在破岩模拟中的应用

3．3．2有限元法在岩石切削中的应用

3．3．3有限插分法在刀具岩石相互作用中的应用

3．3．4离散元法及其在岩石切削模拟中的应用

3．3．5光滑粒子流体动力学方法及其在岩石破碎研究中的应用

3．4光滑粒子流体动力学(SPH)方法理论基础

3．4．1函数及其导数的积分近似法

3．4．2守恒方程组的离散

3．4．3核函数

3．4．4人工粘性和人工热流

3．4．5本构关系

3．4．6边界处理

3．4．7近邻粒子搜索

3．4．8时间积分

3．4．9有限元法与光滑粒子流体动力学法的藕合算法

3．5本章小结

第4章盘形滚刀作用下岩石内部裂纹形成和扩展的研究

4．1引言

4．2盘形滚刀的结构特性

4．2．1盘形滚刀结构

4．2．2盘形滚刀分类

4．3盘形滚刀破岩机理及其研究现状

4．3．1岩石特性研究

4．3．2盘形滚刀破岩机理研究现状

4．4不同截面滚刀作用下岩石内部裂纹形成和扩展的研究

4．4．1盘形滚刀破岩过程数值模型

4．4．2不同截面滚刀破岩仿真结果及分析

4．5不同加载方式下岩石内部裂纹形成和扩展的研究

4．5．1数值模型建立

4．5．2滚刀不同加载方式的仿真结果及分析

4．6本章小结

第5章盘形滚刀破岩力及相关参数的试验与仿真研究

5．1引言

5．2盘形滚刀受力特点及其相关影响参数

5．3盘形滚刀破岩力的预测模型分析

5．4盘形滚刀受力特性试验研究

5．4．1试验设备与试验方案

5．5基于SPH方法的三维数值破岩仿真模型及验证

5．5．1盘形滚刀仿真模型的建立

5．5．2试验方案与结果分析

5．6刀间距和贯入度对盘形滚刀破岩效果影响的研究

5．6．1刀间距对破岩效果的影响分析

5．6．2盘形滚刀贯入度对破岩效果影响的分析

5．7不同直径盘形滚刀破岩接触区受力分布研究

5．7．1盘形滚刀破岩接触区受力及其分布

5．7．2数值模型

5．7．3盘形滚刀模型

5．7．4试验结果及分析

5．8不同刀位安装半径盘形滚刀受力特性研究

5．8．1 不同刀位安装半径盘形滚刀破岩数值模型建立

5．8．2不同刀位安装半径的滚刀受力分析

5．8．3刀盘载荷综合分析

5．9本章小结

第6章基于数字样机的全断面岩石掘进机功能仿真研究

6．1引言

6．2Φ5．75m全断面岩石掘进机性能参数

6．3全断面岩石掘进机数字化模型构建

6．4前盾和刀盘结构力学特性研究

6．4．1前盾静力学分析研究

6．4．2前盾的模态分析

6．4．3刀盘结构分析

6．5掘进机推力与速度的联合仿真

6．5．1联合仿真推力速度控制系统的建立

6．5．2 PID控制的适应性分析

6．5．3稳态掘进速度突变分析

6．6全断面岩石掘进机虚拟施工技术研究

6．6．1创建全断面岩石掘进机的节点模型

6．6．2全断面岩石掘进机虚拟施工场景的构建

6．6．3基于Vega的全断面岩石掘进机视景仿真研究

6．6．4为虚拟施工添加特殊效果

6．6．5模型加载与最终效果

6．7本章小结

第7章全断面岩石掘进机虚拟装配系统关键技术研究

7．1引言

7．2全断面岩石掘进机虚拟装配系统的立体显示实现方法

7．2．1系统中采用的虚拟装配技术

7．2．2虚拟装配系统的立体显示实现方法

7．3全断面岩石掘进机虚拟装配系统硬件架构开发

7．3．1虚拟装配系统硬件基本架构

7．3．2操作控制柜通讯过程设计

7．4全断面岩石掘进机虚拟装配系统的数字模型建立

7．4．1基于Creator的虚拟装配场景构建

7．4．2基于Pro／Engineer的全断面岩石掘进机三维模型建立

7．4．3全断面岩石掘进机数字模型中DOF添加

7．5全断面岩石掘进机虚拟装配系统的软件架构

7．5．1全断面岩石掘进机虚拟装配软件环境开发程序创建

7．5．2虚拟装配系统中Vega软件的使用

7．5．3多通道技术在全断面岩石掘进机虚拟装配系统中的应用

7．5．4基于Vega应用程序开发基本框架

7．6全断面岩石掘进机虚拟装配系统运行效果

7．6．1串口通信使用后的效果

7．6．2全断面岩石掘进机虚拟装配系统实际运行效果测试

7．7本章小结

8．1结论

8．2展望

参考文献

致谢

攻读学位期间发表的学术论文

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