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岩石隧道掘进机刀盘设计方法研究

作　者: 刘志杰
导　师: 滕弘飞；黄洪钟
学　校: 大连理工大学
专　业: 机械设计及理论
关键词: 岩石隧道掘进机(TBM) 刀盘设计刀具布置实例推理模糊逻辑推理未预料变化适应性局部再设计
分类号: U455.3
类　型: 博士论文
年　份: 2009年
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引　用: 8次
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内容摘要

刀盘设计是全断面岩石隧道掘进机(TBM)的设计关键,是影响其掘进性能的决定性因素。TBM刀盘需根据地质条件和施工要求进行适应性设计,属复杂工程系统设计问题。掌握刀盘适应性设计关键技术,提高自主创新设计与制造能力,具有重要的战略意义。诸如TBM的复杂装备结构复杂、价格昂贵、施工任务重要,由于装备性能与运行的外部环境密切相关,当外部环境(如TBM施工地质环境)发生未预料变化时,可能造成装备性能劣化,无法满足当前期望性能需求。由此,复杂装备的适应性设计研究提到日程并引起人们的重视,成为亟待解决的重要课题。基于上述工程背景,在国家863高技术发展计划和国家自然科学基金的资助下,本文首先研究了TBM刀盘主参数设计方法和刀具布置设计方法,进而研究了应对未预料地质环境变化的TBM刀盘及相关组件局部再设计问题。TBM刀盘设计内容较广,本文研究其中部分内容,主要包括:(1)给出了考虑地质环境的基于实例推理(CBR)的刀盘主参数设计方法,以用于快速设计刀具数量、切削参数、主推力、功率和扭矩等刀盘主参数。该实例推理新意在于,给出了刀盘设计的实例表示方法:利用局部相似度分别度量实例中不同类型属性参数的相似度,给出各属性局部相似度计算方法;进而针对取值为区间数的实例属性,给出了一种基于属性值概率分布的区间相似度计算方法;利用组合修改实例的方法推理获得新刀盘的主参数设计方案。该方法贴近目前TBM设计师设计实际。最后经某水利工程引水隧洞施工用的TBM刀盘主参数设计进行了对比验证。(2)给出了较为符合工程实际的TBM刀具布置设计描述模型,考虑了更多的工程因素和技术要求,有别于传统模型。利用多目标进化算法NSGA-Ⅱ进行求解,并给出了基于模糊目标偏好和待布物分布距离支配的Pareto最优解选择方法。最后经TBM刀具布置实例进行了对比验证。(3)给出了另外一种基于模糊逻辑推理和进化算法的TBM刀具布置设计方法。该方法利用模糊逻辑推理处理专家经验规则知识,用计算机模拟专家推理过程,获得待布物(本文指刀具)的布置区域范围,相当于得到一个模糊粗略布置方案,将推理结果方案输入到进化算法(如NSGA-Ⅱ)中,与进化算法计算结果方案一起进行进化操作,从而获得更好的优化方案。最后经TBM刀具布置实例进行了对比验证。(4)以地质环境发生未预料变化的隧道掘进机刀盘及相关组件设计为例,给出了应对未预料环境变化的现有装备适应性局部再设计(ALRE~2)。ALRE~2的特点是在现有装备基础上进行适应性局部变化设计(包括附加新的功能组件),或者尽量恢复原环境,目的是使现有装备尽量适应未预料的外部环境,以满足当前期望性能需求。ALRE~2关键问题是如何解决结构耦合冲突问题。本文给出了ALRE~2的设计策略和关键技术:装备新功能派生、装备功能—结构分析、结构变化传播性预测、结构耦合冲突消除和变化设计决策。建立了装备附加诊断系统的设计决策模型。实践上,隧道掘进机(如TBM)属重大关键装备,并且涉及国家地质秘密,我国目前多为由国外引进或合作生产,急需掌握具有自主知识产权的设计技术,其中刀盘设计又是TBM设计的关键。因此,研究尽量符合工程实际的TBM刀盘设计方法,具有工程价值。理论上,研究尽量符合工程实际的刀盘上刀具布置设计理论和方法,以及应对未预料环境变化的隧道掘进机刀盘及其相关组件局部再设计方法,期望有助于促进TBM刀盘的适应性设计理论研究进展,并有助于推动应对未预料环境变化的适应性设计研究开拓与进展。

全文目录

摘要  4-6
Abstract  6-12
1 绪论  12-33
  1.1 课题的工程背景和问题的提出  12-16
  1.2 国内外研究进展  16-24
  1.3 存在的问题分析及主要解决思想  24-26
  1.4 本课题组相关工作基础  26-28
  1.5 课题的研究意义  28-29
  1.6 论文相关基本定义  29-30
  1.7 论文的研究内容和组织结构  30-32
  1.8 小结  32-33
2 TBM刀盘设计关键基础技术  33-45
  2.1 引言  33
  2.2 TBM破岩机理  33-34
  2.3 刀盘切削参数  34-37
  2.4 围岩力学属性及其试验测试  37-41
  2.5 盘刀破岩受力分析  41-43
  2.6 施工预测模型  43
  2.7 刀盘布局和刀具布置设计  43-44
  2.8 小结  44-45
3 基于实例推理的TBM刀盘主参数设计方法  45-59
  3.1 引言  45-46
  3.2 基于实例推理(CBR)  46-48
  3.3 基于 CBR的TBM刀盘主参数设计关键问题  48-53
    3.3.1 实例表示  48
    3.3.2 实例相似度  48-52
    3.3.3 相似实例检索  52
    3.3.4 实例调整与评价  52-53
  3.4 基于 CBR的TBM刀盘主参数设计方法框架  53
  3.5 TBM刀盘主参数设计实例  53-58
  3.6 小结  58-59
4 TBM刀具布置优化设计建模及多目标进化求解  59-86
  4.1 引言  59
  4.2 TBM刀具布置问题分析  59-61
    4.2.1 刀具布置技术要求和原则  59-60
    4.2.2 刀具布置设计过程模型  60-61
  4.3 刀具布置优化模型建立  61-69
    4.3.1 建模原则  62-64
    4.3.2 优化模型  64-69
  4.4 多目标进化求解  69-75
    4.4.1 基于多目标进化算法的求解过程  71-74
    4.4.2 Pareto最优解选择  74-75
  4.5 TBM刀具布置设计实例  75-84
  4.6 小结  84-86
5 基于模糊逻辑推理和进化算法的TBM刀具布置设计方法  86-106
  5.1 引言  86-89
  5.2 基于模糊逻辑推理和进化算法的布局设计(FELD)方法  89-95
    5.2.1 FELD方法的设计策略  90-91
    5.2.2 刀具布置设计专家经验规则提炼  91-92
    5.2.3 FELD方法的设计过程  92-93
    5.2.4 FELD方法的关键问题  93-95
  5.3 基于 FELD的TBM刀具布置设计  95-100
  5.4 TBM刀具布置设计实例  100-105
  5.5 小结  105-106
6 应对未预料地质环境变化的TBM刀盘及相关组件局部再设计  106-133
  6.1 引言  106-107
  6.2 工程变化设计问题分析  107-108
  6.3 性能与环境  108-111
    6.3.1 性能的定义  108-109
    6.3.2 装备结构、功能和环境变化关系  109-111
  6.4 现有装备适应性局部再设计(ALRE~2)  111-113
    6.4.1 ALRE~2的基本定义  111-112
    6.4.2 ALRE~2的目的和意义  112-113
  6.5 ALRE~2的设计原则  113-117
    6.5.1 ALRE~2的设计特征  114
    6.5.2 ALRE~2的设计原则  114-116
    6.5.3 ALRE~2的常用应对策略  116-117
  6.6 ALRE~2的关键技术  117-121
  6.7 ALRE~2设计过程模型  121-122
  6.8 ALRE~2设计决策  122-128
    6.8.1 ALRE~2设计决策模型  123-125
    6.8.2 装备附加诊断系统设计决策模型  125-128
  6.9 TBM应对未预料地质环境变化的ALRE~2设计案例分析  128-132
  6.10 小结  132-133
7 结论及展望  133-135
  7.1 论文的工作总结  133-134
  7.2 后续工作展望  134-135
参考文献  135-145
攻读博士学位期间发表学术论文、参加科研项目及获奖情况  145-147
致谢  147-148
作者简介  148-149
论文创新点摘要  149-150

岩石隧道掘进机刀盘设计方法研究

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