[发明专利]基于振动能量分析的盾构机刀盘结构变异重构方法

权利要求书

1.一种基于振动能量分析的盾构机刀盘结构变异重构方法，其特征在于，包括以下步骤：

1)定义设计对象：以圆形盾构机刀盘为设计域，刀盘结构框架由矩形加强筋组成，刀盘半径为r，刀盘加强筋厚度为常数h_stiffener，圆形盾构机刀盘与驱动装置采用连接柱连接，定义柱脚区域为约束区域，刀盘滚刀区域为能量载荷输入区域；

2)定义设计变量：采用水平集组件描述刀盘的矩形加强筋，加强筋组件设计变量包括长度L，宽度T，倾斜角θ以及中心坐标(x₀,y₀)；刀盘结构矩形加强筋总计设置n个；

3)显式几何描述加强筋；

4)能量有限元计算；

5)迭代优化：将能量有限元计算结果以及敏度带入移动渐近线优化算法(MMA)中，迭代更新变量，直至目标函数在满足约束条件的情况下收敛为止，此时获得满足材料用量约束条件下的盾构机刀盘最优结构布局；

6)适应性处理：按照生产工艺要求圆整盾构机刀盘的结构布局，从而实现盾构机初始结构到优化结构的变异重构。

2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述的步骤3)具体为：3.1)使用几何参数建立第q个矩形加强筋的水平集函数φ_q，q＝1,2…n:

3.2)使用Heaviside公式对每个组件的水平集函数φ_q标准化：

3.3)组装所有组件水平集：

3.4)使用Heaviside公式对整个结构进行第二次标准化，得到整个刀盘结构的最终水平集φ_sum：

3.根据权利要求2所述的方法，其特征在于，所述的步骤4)具体为：

4.1)构建单元能量矩阵：

针对盾构机刀盘采用的能量密度场控制方程的矩阵形式为：

[K^j]{e^j}＝{F^j}+{Q^j}       (5)

其中：

上式中，K^j为采用经典能量有限元分析方法构建的单元能量矩阵，F^j为单元输入功率，Π(x,y)为节点(x,y)上的输入功率，Q^j为单元边界上的能流，c_g为弹性波群速度，η为阻尼系数，ω为角频率，为组件边界的法向量，N为形函数，{e^j}为第j个单元的节点能量密度向量；

4.2)耦合单元分析；

4.3)确定优化模型：以盾构机刀盘动态性能最佳为优化目标，将刀盘结构所储存的能量设定为衡量刀盘动态性能的指标，命名为能量柔度，能量柔度即为关于设计变量的目标函数；设定优化结构材料用量不得超过设计许用材料用量，将材料用量作为约束函数；

优化数学模型如下：

上式中，变量v为所有组件的几何参数，v_j为第j个组件的几何参数，包括中心坐标长度L^j、宽度T^j及倾斜角θ^j，J(v)为目标函数，M(v)和M_upp分别为刀盘材料用量和最大设计许用材料用量，n_e为总单元数，h^j和S^j分别为第j个单元的厚度和面积。

4.根据权利要求3所述的方法，其特征在于，所述的步骤4.2)具体为：

4.2.1)刀盘不同厚度的单元间耦合：

盾构机刀盘上不同厚度的相邻单元边界增加新节点，此时能量有限元表达式为：

上式中，K为未耦合的全局能量矩阵，利用K^j单元能量矩阵组装而成，K_q为相邻单元的耦合矩阵；

4.2.2)刀盘相同厚度的单元间耦合：

盾构机刀盘上所有单元边界增加新节点得到能量有限元新网格——非耦合网格。

5.根据权利要求4所述的方法，其特征在于，所述的步骤4.2.2)具体为：非耦合网格中全局能量矩阵装配步骤如下：

4.2.2.1)非耦合网格中无公共节点耦合的全局能量矩阵:

4.2.2.2)耦合水平边界单元节点：定义i1、i2、i3、i4为一个单元的四个节点，定义K(i,...)表示K(i1,i1)、K(i1,i2)、K(i1,i3)、K(i1,i4)，当i1节点和i2节点需要耦合时，首先将K(i1,...)添加到第i2行，再将K(i2,...)添加到第i1行；

4.2.2.3)按照步骤4.2.2.2)规则耦合垂直边界单元节点；

4.2.2.4)按照步骤4.2.2.2)规则耦合对角线边界单元节点；

4.2.2.5)将组装所得全局能量矩阵中相互耦合的节点i_coup1、节点i_coup2进行以下操作：第i_coup2行的直接移动至第i_coup1列，且第i_coup1列保持不变；得到全局能量矩阵的最终形式：