[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

说明书

一种基于振动能量分析的盾构机刀盘结构变异重构方法，先定义设计对象，定义设计变量，显式几何描述加强筋；再进行能量有限元计算，迭代优化；最后进行适应性处理；本发明以显式拓扑优化方法为基本工具，驱动盾构机刀盘承载架构的变异与重构，结合能量有限元分析方法，通过引导并强化盾构机刀盘振动能量耗散，实现对结构动响应的抑制，大大减小了计算压力，计算精度高、计算量小。

技术领域

本发明属于盾构机刀盘结构优化设计领域，具体涉及一种基于振动能量分析的盾构机刀盘结构变异重构方法。

技术背景

在掘进破碎过程中，盾构机刀盘承受较大的轴向压力及强烈的冲击振动，易导致刀盘结构卷边变形甚至断裂破坏，影响掘进效率和施工安全，针对刀盘的动力学优化设计是盾构机设计的基础之一；当前盾构机刀盘的力学设计一般采用基于经典有限元分析方法的尺寸优化设计方法(孙鹏飞,尹鹏,刘宏磊,陈小明,李宝童,洪军.一种高比刚度盾构机刀盘面板结构拓扑重构设计[J/OL].西安交通大学学报,2023,57(6):1-9.)，在常规结构布局前提下优化结构尺寸参数，提升动静力学性能。

但是这种方法较难突破既有结构形态的束缚，难以驱动刀盘结构变异重构，搜寻最优拓扑形态，因而难以实现机械结构创新设计；同时此类设计方法以经典有限元分析技术为基础，网格尺寸应小于振动波波长的1/6，其分析网格密集，优化计算成本高。

发明内容

为了克服上述现有技术的缺点，本发明的目的在于提供一种基于振动能量分析的盾构机刀盘结构变异重构方法，以显式拓扑优化方法为基本工具，驱动盾构机刀盘承载架构的变异与重构，结合能量有限元分析方法，通过引导并强化盾构机刀盘振动能量耗散，实现对结构动响应的抑制，大大减小了计算压力，计算精度高、计算量小。

为了达到上述目标，本发明采取的技术方案为：

一种基于振动能量分析的盾构机刀盘结构变异重构方法，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：

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：

4)能量有限元计算：

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：