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一种高比刚度盾构机刀盘面板结构拓扑重构设计

Topological Reconstruction Design of Cutterhead Panel for Shield Machine with High Specific Stiffness

作     者:孙鹏飞 尹鹏 刘宏磊 陈小明 李宝童 洪军 SUN Pengfei;YIN Peng;LIU Honglei;CHEN Xiaoming;LI Baotong;HONG Jun

作者机构:西安交通大学机械工程学院西安710049 西安交通大学现代设计及转子轴承系统教育部重点实验室西安710049 西安交通大学机械制造系统工程国家重点实验室西安710049 

出 版 物:《西安交通大学学报》 (Journal of Xi'an Jiaotong University)

年 卷 期:2023年第57卷第6期

页      面:86-94页

核心收录:

学科分类:08[工学] 080203[工学-机械设计及理论] 0802[工学-机械工程] 0701[理学-数学] 

基  金:国家重点研发计划资助项目(2018YFB1700703)。 

主  题:拓扑优化 盾构机 刀盘面板 应力约束 高比刚度 

摘      要:为提高盾构机刀盘面板结构的承载能力,提出了一种考虑应力约束的高比刚度结构拓扑优化方法。首先,将多孔面板结构的开口率和强度作为约束条件,采用p范数将所有单元的局部应力凝聚为一个全局应力约束,限制多孔面板结构的最大全局应力,并以多孔面板结构的全局刚度最大化为优化目标,构建考虑最大全局应力的多约束拓扑优化模型;其次,通过移动渐近线优化算法求解该模型,获得多孔面板结构的优化拓扑构型;然后,采用水平集方法提取优化构型的清晰拓扑边界,并通过几何重构获取多孔面板结构模型;最后,以某型盾构机为例,设计了多孔面板结构,并开展了静力学有限元仿真分析。仿真结果表明:在相同开口率条件下,相较于原有结构,所设计多孔面板结构的刚度和强度分别提升了7%和19.8%,承载能力得到了显著提高。所提出的方法能有效应用于盾构机面板结构的拓扑重构设计,丰富了盾构机刀盘面板结构的设计理论。

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