敞开式硬岩隧道掘进机数字样机开发与关键部件CAE分析

摘要

近些年来，计算机技术快速发展，数字样机技术也随之迅猛发展，并已渐渐成为开发新产品一种崭新的技术。利用数字样机技术可以克服传统产品开发中的一些缺点，如设计周期长、成本耗费高及对实际产品的依赖性等。在产品的开发设计阶段，可以利用数字样机技术检测其中存在的问题和不足，并快速地进行修正和改进，最终获得用户满意的产品。因此，这样不仅可以减少设计研究时间，节省研发成本，而且可以使设计的产品的质量和性能得到明显提升，同时使企业在市场竞争中具有更强的实力和资本。
　　全断面岩石隧道掘进机（简称TBM）是将机械、电子、液压、激光等相关技术集合在一起的大型工厂化机械化的隧道工程掘进系统。全断面岩石掘进机的优点是机械化水平高、挖掘速度快、施工周期短、工作环境安全可靠、综合效益高等，因此，已经成为国内外隧道施工方法的首要选择，在地铁隧道、铁路隧道、引水工程和城市排水排污系统等重大项目实施中得到了普遍应用。
　　本文主要以WIRTH公司生产的TB803E敞开式硬岩隧道掘进机为研究对象，进行数字样机的开发。
　　首先，根据TB803E二维图纸，应用三维软件Pro/ENGINEER建立关键零部件的三维模型，对这些零部件进行装配，并对其装配体进行干涉检验，利用PRO/EAnimation模块对整机进行运动学仿真。
　　然后，对盘形滚刀的破岩理论和破岩轨迹进行分析，依据岩石的力学性能，探究刀具的受力情况以及掘进机整个刀盘受到的径向不平衡力和倾覆力矩，据此对盘形滚刀的布置形式进行优化分析，同时研究撑靴的受力情况。
　　最后，使用ANSYS Workbench软件平台对刀盘结构进行结构静力学分析和模态分析，为刀盘的结构优化提供合理的理论依据。
　　数字样机技术能够直观的展示TB803E掘进机的功能原理仿真，该技术不但适用于该掘进机的开发，而且可以应用到其他类型掘进机的开发研究中，甚至可以扩展推行至其他复杂机械系统的研发中，具有极重要的实用价值。

目录

声明

摘要

第1章 绪论

1．1 研究背景及意义

1．2 全断面掘进机的研究现状

1．2．1 国外TBM概况

1．2．2 国内TBM发展概况

1．3 数字样机技术

1．3．1 数字样机的内涵

1．3．2 数字样机的技术特点

1．3．3 数字样机技术的发展趋势

1．4 课题研究内容

1．5 论文的主要内容

第2章 敞开式硬岩隧道掘进机数字化建模

2．1 Pro／ENGINEER的造型技术

2．2 数字化建模的方法

2．3 硬岩隧道掘进机零部件建模

2．3．1 TB803E掘进机的简介

2．3．2 全断面岩石掘进机建模

2．4 全断面岩石掘进机的整机装配

2．4．1 虚拟装配的基本理论

2．4．2 全断面岩石掘进机的虚拟装配

2．4．3 全断面岩石掘进机虚拟装配干涉检验

2．5 本章小结

第3章 敞开式硬岩隧道掘进机的运动仿真

3．1 Pro／E Design Animation模块功能

3．2 Pro／E Design Animation的一般工作步骤

3．3 全断面硬岩掘进机的运动仿真

3．3．1 刀盘的运动仿真

3．3．2 撑靴的运动仿真

3．3．3 锚杆钻机的运动仿真

3．3．4 超前钻机的运动仿真

3．4 本章小结

第4章 滚刀破岩机理及布置形式的研究

4．1 盘形滚刀的破岩机理

4．1．1 盘形滚刀简介

4．1．2 盘形滚刀破岩机理

4．2 盘形滚刀的破岩轨迹分析

4．3 盘形滚刀布置形式的分析

4．3．1 盘形滚刀的布置原则

4．3．2 盘形滚刀的受力分析及计算

4．3．3 TBM刀盘受力计算

4．3．4 TBM滚刀在刀盘上的布置形式及优化方法

4．4 撑靴的设置及压力的计算

4．5 本章小结

第5章 基于ANSYS Workbench敞开式硬岩隧道掘进机刀盘的有限元分析

5．1 有限单元法与ANSYS Workbench的简介

5．1．1 有限单元法的基本理论

5．1．2 有限单元法的特点

5．1．3 ANSYS Workbench简介

5．2 刀盘的静力学结构分析

5．2．1 静力学分析简介

5．2．2 刀盘的静力学分析流程

5．3 刀盘的模态分析

5．3．1 模态分析概述

5．3．2 刀盘的模态分析

5．3．3 刀盘结构优化设计

5．4 本章小结

第6章 结论与展望

6．1 结论

6．2 展望

参考文献

致谢