專利名稱：復(fù)合型土壓平衡盾構(gòu)刀盤(pán)cad系統(tǒng)的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種CAD軟件系統(tǒng)，尤其是涉及一種復(fù)合型土壓平衡盾構(gòu)刀盤(pán)CAD系 統(tǒng)，屬于計(jì)算機(jī)軟件領(lǐng)域。
背景技術(shù)：
盾構(gòu)刀盤(pán)作為盾構(gòu)機(jī)切削巖土的唯一工具，其類型、結(jié)構(gòu)與地質(zhì)參數(shù)的適應(yīng)性決 定了地下空間工程的掘進(jìn)效率與經(jīng)濟(jì)性。世界各地大量工程數(shù)據(jù)表明，刀盤(pán)維修以及刀具 檢查、更換等作業(yè)時(shí)間約占掘進(jìn)施工總時(shí)間的三分之一，費(fèi)用約占掘進(jìn)施工總費(fèi)用的三分 之一。因此，針對(duì)各類不同的地質(zhì)條件，能否設(shè)計(jì)或選用滿足工程施工需要的盾構(gòu)刀盤(pán)成為 決定工程能否成功的關(guān)鍵因素。盾構(gòu)刀盤(pán)是根據(jù)施工地質(zhì)參數(shù)“度身定做”的，不同地層的巖土力學(xué)、工程地質(zhì)和 水文地質(zhì)等特征相差懸殊，其刀盤(pán)結(jié)構(gòu)也相差很大。傳統(tǒng)的刀盤(pán)設(shè)計(jì)過(guò)程是根據(jù)所給地質(zhì) 參數(shù)，參照已有成功施工的刀盤(pán)實(shí)例，依靠個(gè)人或團(tuán)隊(duì)的工程經(jīng)驗(yàn)進(jìn)行設(shè)計(jì)，人工繪制刀盤(pán) 圖紙，總體理論依據(jù)不足、設(shè)計(jì)周期長(zhǎng)、設(shè)計(jì)可靠性較低。本發(fā)明集成SolidWorks 2008強(qiáng) 大的三維繪圖功能與UDEC 4. O,MATLAB 7. O、ANSYS Workbench 10. O的專業(yè)分析功能，并結(jié) 合開(kāi)口設(shè)計(jì)、刀具選型和刀具布置等相關(guān)理論與技術(shù)，實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)化設(shè)計(jì)盾構(gòu)刀盤(pán)。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的在于提供一種應(yīng)用于復(fù)合地層下的復(fù)合型土壓平衡盾構(gòu)刀盤(pán)CAD 系統(tǒng)，主要是針對(duì)復(fù)合地層地質(zhì)條件進(jìn)行復(fù)合型土壓平衡盾構(gòu)刀盤(pán)的關(guān)鍵參數(shù)設(shè)計(jì)、參數(shù) 化建模、力學(xué)性能分析和優(yōu)化設(shè)計(jì)，期望得到已知地層下的目標(biāo)刀盤(pán)初步設(shè)計(jì)方案。本發(fā)明是通過(guò)以下技術(shù)方案來(lái)實(shí)現(xiàn)的，該系統(tǒng)包括(1)用戶輸入模塊，用戶輸入地質(zhì)參數(shù)和技術(shù)要求，其中地質(zhì)參數(shù)包括巖石抗壓 強(qiáng)度、抗拉強(qiáng)度、密度、彈性模量、體積模量、剪切模量、凝聚力、內(nèi)摩擦角、膨脹角，軟土單軸 抗壓強(qiáng)度、粘聚力、內(nèi)摩擦角、水平側(cè)壓力系數(shù)；技術(shù)要求包括開(kāi)挖直徑，刀盤(pán)轉(zhuǎn)速，推進(jìn) 速度，最大扭矩，脫困扭矩，最大推力；(2)基本功能模塊，系統(tǒng)結(jié)合開(kāi)口設(shè)計(jì)、刀具選型和刀具布置理論，計(jì)算滾刀最優(yōu) 刀間距，確定滾刀、刮刀類型和布置參數(shù)，實(shí)現(xiàn)對(duì)目標(biāo)刀盤(pán)進(jìn)行基本構(gòu)型設(shè)計(jì)、刀具地質(zhì)適 應(yīng)性選型和刀具優(yōu)化布置，通過(guò)參數(shù)化建模，生成目標(biāo)刀盤(pán)裝配圖；(3)性能分析模塊，系統(tǒng)對(duì)目標(biāo)刀盤(pán)進(jìn)行有限元受力分析，獲得目標(biāo)刀盤(pán)應(yīng)力分布 和變形分布結(jié)果；(4)優(yōu)化設(shè)計(jì)模塊，用戶指定設(shè)計(jì)變量和優(yōu)化目標(biāo)，系統(tǒng)對(duì)目標(biāo)刀盤(pán)進(jìn)行結(jié)構(gòu)參數(shù) 優(yōu)化分析，并根據(jù)優(yōu)化后的結(jié)構(gòu)參數(shù)修改目標(biāo)刀盤(pán)裝配圖；(5)歷史數(shù)據(jù)管理模塊，系統(tǒng)自動(dòng)存儲(chǔ)用戶輸入的數(shù)據(jù)與對(duì)應(yīng)的目標(biāo)刀盤(pán)三維設(shè) 計(jì)結(jié)果，用戶也可以從該模塊調(diào)用歷史數(shù)據(jù)。所述的參數(shù)化建模，系統(tǒng)根據(jù)用戶輸入的結(jié)構(gòu)參數(shù)自動(dòng)生成刀盤(pán)零件，調(diào)用已有刀具零件模板和牛腿_法蘭零件模板，重新生成新的刀具零件和牛腿_法蘭零件，進(jìn)行自動(dòng) 化裝配設(shè)計(jì)，生成目標(biāo)刀盤(pán)裝配圖。所述的有限元受力分析，是針對(duì)硬巖切削工況、軟土切削工況和堵轉(zhuǎn)工況，系統(tǒng)根 據(jù)用戶輸入的地質(zhì)參數(shù)、技術(shù)要求和刀盤(pán)結(jié)構(gòu)參數(shù)計(jì)算各種工況下的推力和扭矩，修改已 有的APDL分析命令流，該命令流包括材料參數(shù)的賦值、網(wǎng)格的劃分、外載荷的施加、約束條 件的添加，系統(tǒng)調(diào)用修改后的APDL分析命令流，自動(dòng)求解，并輸出應(yīng)力分布和變形分布結(jié)^ ο所述的結(jié)構(gòu)參數(shù)優(yōu)化設(shè)計(jì)，用戶指定需要優(yōu)化的結(jié)構(gòu)參數(shù)為設(shè)計(jì)變量，并指定優(yōu) 化目標(biāo)，修改已有的APDL優(yōu)化命令流，該命令流包括設(shè)計(jì)變量與目標(biāo)函數(shù)的聲明、優(yōu)化方 法的選擇，系統(tǒng)調(diào)用修改后的APDL優(yōu)化命令流，自動(dòng)優(yōu)化分析，并輸出優(yōu)化后的結(jié)構(gòu)參數(shù)， 同時(shí)修改目標(biāo)刀盤(pán)裝配圖。該系統(tǒng)具有可擴(kuò)展性，可以根據(jù)需要添加新的刀盤(pán)基本構(gòu)型特征。本系統(tǒng)具有良好的應(yīng)用前景，特別是在復(fù)合型土壓平衡盾構(gòu)刀盤(pán)的初期設(shè)計(jì)階 段，用戶可以快速建立地質(zhì)參數(shù)和刀盤(pán)關(guān)鍵設(shè)計(jì)參數(shù)之間的對(duì)應(yīng)關(guān)系，獲得直觀的目標(biāo)刀 盤(pán)三維裝配模型，并實(shí)現(xiàn)對(duì)目標(biāo)刀盤(pán)進(jìn)行力學(xué)性能評(píng)估與結(jié)構(gòu)優(yōu)化，從而提高設(shè)計(jì)可靠性 和設(shè)計(jì)效率。


圖1為復(fù)合型土壓平衡盾構(gòu)刀盤(pán)CAD系統(tǒng)的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)示意2為復(fù)合型土壓平衡盾構(gòu)刀盤(pán)CAD系統(tǒng)的刀盤(pán)參數(shù)化建模流程3為復(fù)合型土壓平衡盾構(gòu)刀盤(pán)CAD系統(tǒng)的性能分析和優(yōu)化設(shè)計(jì)流程圖
具體實(shí)施例方式下面結(jié)合具體圖示，進(jìn)一步闡述本發(fā)明。參看圖1，本系統(tǒng)包括用戶輸入模塊、基本功能模塊、性能分析模塊、優(yōu)化設(shè)計(jì)模 塊和歷史數(shù)據(jù)管理模塊。通過(guò)用戶輸入模塊用戶可以輸入地質(zhì)參數(shù)和技術(shù)要求；系統(tǒng)基于 VisualBasic 6. 0對(duì)SolidWorks 2008進(jìn)行二次開(kāi)發(fā)，實(shí)現(xiàn)參數(shù)化建模；系統(tǒng)自動(dòng)結(jié)合開(kāi) 口設(shè)計(jì)、刀具選型和刀具布置等相關(guān)理論與技術(shù)，并調(diào)用UDEC 4.0計(jì)算滾刀最優(yōu)刀間距， 調(diào)用MATLAB7. 0求解滾刀優(yōu)化布置數(shù)學(xué)模型，獲得滾刀布置參數(shù)，實(shí)現(xiàn)對(duì)復(fù)合型土壓平衡 盾構(gòu)刀盤(pán)進(jìn)行基本構(gòu)型設(shè)計(jì)、刀具地質(zhì)適應(yīng)性選型和刀具優(yōu)化布置；系統(tǒng)通過(guò)調(diào)用ANSYS Workbench 10. 0對(duì)目標(biāo)刀盤(pán)進(jìn)行有限元受力分析與結(jié)構(gòu)參數(shù)優(yōu)化設(shè)計(jì)，最終獲得目標(biāo)刀盤(pán) 的優(yōu)化三維設(shè)計(jì)結(jié)果，并通過(guò)歷史數(shù)據(jù)管理模塊自動(dòng)存儲(chǔ)用戶輸入數(shù)據(jù)和設(shè)計(jì)結(jié)果。參看圖2，進(jìn)行目標(biāo)刀盤(pán)參數(shù)化建模時(shí)，首先由用戶輸入地質(zhì)參數(shù)和技術(shù)要求，并 選擇刀盤(pán)形式。然后，用戶判斷目標(biāo)刀盤(pán)是否為整體焊接刀盤(pán)，如果是，則進(jìn)行開(kāi)口設(shè)計(jì)，否 則先進(jìn)行內(nèi)拼裝方框設(shè)計(jì)，確定內(nèi)拼裝方框結(jié)構(gòu)參數(shù)。開(kāi)口設(shè)計(jì)主要是結(jié)合開(kāi)口設(shè)計(jì)理論， 確定主要開(kāi)口和輔助開(kāi)口的形式和結(jié)構(gòu)參數(shù)。若目標(biāo)刀盤(pán)配置輻條，則確定輻條數(shù)量和結(jié) 構(gòu)參數(shù)，然后，用戶判斷是否配置副梁，如果否，則進(jìn)行開(kāi)口處筋板設(shè)計(jì)，否則先進(jìn)行副梁設(shè) 計(jì)，確定副梁形式和結(jié)構(gòu)參數(shù)；若目標(biāo)刀盤(pán)沒(méi)有配置輻條，則用戶判斷是否配置主筋板，如 果否，則進(jìn)入下一步，否則先進(jìn)行主筋板設(shè)計(jì)，確定主筋板數(shù)量和結(jié)構(gòu)參數(shù)，然后，用戶判斷是否配置副筋板，如果否，則進(jìn)行開(kāi)口處筋板設(shè)計(jì)，否則先進(jìn)行副筋板設(shè)計(jì)，確定副筋板數(shù) 量和結(jié)構(gòu)參數(shù)。開(kāi)口處筋板設(shè)計(jì)主要是確定開(kāi)口處筋板厚度。下一步，系統(tǒng)根據(jù)刀具選型 理論確定刀具類型和刀具結(jié)構(gòu)參數(shù)。然后，系統(tǒng)根據(jù)刀具布置理論計(jì)算出刀具布置位置參 數(shù)，并在目標(biāo)刀盤(pán)裝刀位置自動(dòng)添加刀座特征。接下來(lái)，由用戶選擇牛腿-法蘭形式。最后 進(jìn)行裝配設(shè)計(jì)，依次進(jìn)行刀具與刀座裝配、牛腿_法蘭與刀盤(pán)裝配，最終輸出目標(biāo)刀盤(pán)的三 維裝配模型。 參看圖3，對(duì)目標(biāo)刀盤(pán)進(jìn)行性能分析和優(yōu)化設(shè)計(jì)時(shí)，首先進(jìn)入系統(tǒng)性能分析模 土夬，系統(tǒng)調(diào)用ANSYS Workbench 10. 0有限元分析模塊，通過(guò)Solidworks 2008與ANSYS Workbench 10. O的無(wú)縫接口自動(dòng)將目標(biāo)刀盤(pán)三維模型導(dǎo)入ANSYS Workbench 10. 0，并調(diào)入 APDL分析命令流，對(duì)目標(biāo)刀盤(pán)劃分網(wǎng)格，施加載荷和約束，求解計(jì)算，輸出應(yīng)力分布和變形 分布結(jié)果。用戶對(duì)輸出結(jié)果進(jìn)行判斷，如果目標(biāo)刀盤(pán)結(jié)構(gòu)不滿足力學(xué)性能要求，則進(jìn)入系統(tǒng) 優(yōu)化設(shè)計(jì)模塊，系統(tǒng)自動(dòng)調(diào)用ANSYS Workbench 10. 0優(yōu)化設(shè)計(jì)模塊，用戶指定設(shè)計(jì)變量和 優(yōu)化目標(biāo)，系統(tǒng)調(diào)入APDL優(yōu)化命令流，進(jìn)行優(yōu)化計(jì)算，并輸出優(yōu)化后的結(jié)構(gòu)參數(shù)。最后，系 統(tǒng)根據(jù)優(yōu)化后的結(jié)構(gòu)參數(shù)修改目標(biāo)刀盤(pán)模型。
權(quán)利要求
一種復(fù)合型土壓平衡盾構(gòu)刀盤(pán)CAD系統(tǒng)，其特征在于該系統(tǒng)包括(1)用戶輸入模塊，用戶輸入地質(zhì)參數(shù)和技術(shù)要求，其中地質(zhì)參數(shù)包括巖石抗壓強(qiáng)度、抗拉強(qiáng)度、密度、彈性模量、體積模量、剪切模量、凝聚力、內(nèi)摩擦角、膨脹角，軟土單軸抗壓強(qiáng)度、粘聚力、內(nèi)摩擦角、水平側(cè)壓力系數(shù)；技術(shù)要求包括開(kāi)挖直徑，刀盤(pán)轉(zhuǎn)速，推進(jìn)速度，最大扭矩，脫困扭矩，最大推力；(2)基本功能模塊，系統(tǒng)結(jié)合開(kāi)口設(shè)計(jì)、刀具選型和刀具布置理論，計(jì)算滾刀最優(yōu)刀間距，確定滾刀、刮刀類型和布置參數(shù)，實(shí)現(xiàn)對(duì)目標(biāo)刀盤(pán)進(jìn)行基本構(gòu)型設(shè)計(jì)、刀具地質(zhì)適應(yīng)性選型和刀具優(yōu)化布置，通過(guò)參數(shù)化建模，生成目標(biāo)刀盤(pán)裝配圖；(3)性能分析模塊，系統(tǒng)對(duì)目標(biāo)刀盤(pán)進(jìn)行有限元受力分析，獲得目標(biāo)刀盤(pán)應(yīng)力分布和變形分布結(jié)果；(4)優(yōu)化設(shè)計(jì)模塊，用戶指定設(shè)計(jì)變量和優(yōu)化目標(biāo)，系統(tǒng)對(duì)目標(biāo)刀盤(pán)進(jìn)行結(jié)構(gòu)參數(shù)優(yōu)化分析，并根據(jù)優(yōu)化后的結(jié)構(gòu)參數(shù)修改目標(biāo)刀盤(pán)裝配圖；(5)歷史數(shù)據(jù)管理模塊，系統(tǒng)自動(dòng)存儲(chǔ)用戶輸入的數(shù)據(jù)與對(duì)應(yīng)的目標(biāo)刀盤(pán)三維設(shè)計(jì)結(jié)果，用戶也可以從該模塊調(diào)用歷史數(shù)據(jù)。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的復(fù)合型土壓平衡盾構(gòu)刀盤(pán)CAD系統(tǒng)，其特征在于，所述的參 數(shù)化建模，系統(tǒng)根據(jù)用戶輸入的結(jié)構(gòu)參數(shù)自動(dòng)生成刀盤(pán)零件，調(diào)用已有刀具零件模板和牛 腿_法蘭零件模板，重新生成新的刀具零件和牛腿_法蘭零件，進(jìn)行自動(dòng)化裝配設(shè)計(jì)，生成 目標(biāo)刀盤(pán)裝配圖。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的復(fù)合型土壓平衡盾構(gòu)刀盤(pán)CAD系統(tǒng)，其特征在于，所述的有 限元受力分析，是針對(duì)硬巖切削工況、軟土切削工況和堵轉(zhuǎn)工況，系統(tǒng)根據(jù)用戶輸入的地質(zhì) 參數(shù)、技術(shù)要求和刀盤(pán)結(jié)構(gòu)參數(shù)計(jì)算各種工況下的推力和扭矩，修改已有的APDL分析命令 流，該命令流包括材料參數(shù)的賦值、網(wǎng)格的劃分、外載荷的施加、約束條件的添加，系統(tǒng)調(diào)用 修改后的APDL分析命令流，自動(dòng)求解，并輸出應(yīng)力分布和變形分布結(jié)果。
4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的復(fù)合型土壓平衡盾構(gòu)刀盤(pán)CAD系統(tǒng)，其特征在于，所述的結(jié) 構(gòu)參數(shù)優(yōu)化設(shè)計(jì)，用戶指定需要優(yōu)化的結(jié)構(gòu)參數(shù)為設(shè)計(jì)變量，并指定優(yōu)化目標(biāo)，修改已有的 APDL優(yōu)化命令流，該命令流包括設(shè)計(jì)變量與目標(biāo)函數(shù)的聲明、優(yōu)化方法的選擇，系統(tǒng)調(diào)用修 改后的APDL優(yōu)化命令流，自動(dòng)優(yōu)化分析，輸出優(yōu)化后的結(jié)構(gòu)參數(shù)，同時(shí)修改目標(biāo)刀盤(pán)裝配 圖。
5.一種復(fù)合型土壓平衡盾構(gòu)刀盤(pán)CAD系統(tǒng)，其特征在于，該系統(tǒng)具有可擴(kuò)展性，可以根 據(jù)需要添加新的刀盤(pán)基本構(gòu)型特征。
全文摘要
本發(fā)明公開(kāi)了一種復(fù)合型土壓平衡盾構(gòu)刀盤(pán)CAD系統(tǒng)，屬于計(jì)算機(jī)軟件領(lǐng)域，該系統(tǒng)基于Visual Basic 6.0對(duì)SolidWorks 2008進(jìn)行二次開(kāi)發(fā)，實(shí)現(xiàn)參數(shù)化建模，并調(diào)用UDEC 4.0、MATLAB 7.0和ANSYS Workbench 10.0進(jìn)行自動(dòng)分析與優(yōu)化。系統(tǒng)包括用戶輸入模塊、基本功能模塊、性能分析模塊、優(yōu)化設(shè)計(jì)模塊和歷史數(shù)據(jù)管理模塊。用戶輸入地質(zhì)參數(shù)和技術(shù)要求，系統(tǒng)自動(dòng)結(jié)合開(kāi)口設(shè)計(jì)、刀具選型和刀具布置理論，對(duì)復(fù)合型土壓平衡盾構(gòu)刀盤(pán)進(jìn)行基本構(gòu)型設(shè)計(jì)、刀具地質(zhì)適應(yīng)性選型、刀具優(yōu)化布置、刀盤(pán)有限元受力分析和刀盤(pán)結(jié)構(gòu)參數(shù)優(yōu)化設(shè)計(jì)，最終獲得目標(biāo)刀盤(pán)的優(yōu)化三維設(shè)計(jì)結(jié)果，系統(tǒng)自動(dòng)存儲(chǔ)用戶輸入數(shù)據(jù)和對(duì)應(yīng)的設(shè)計(jì)結(jié)果。利用本發(fā)明可以快速建立地質(zhì)參數(shù)和刀盤(pán)關(guān)鍵設(shè)計(jì)參數(shù)之間的對(duì)應(yīng)關(guān)系，提高設(shè)計(jì)可靠性和設(shè)計(jì)效率。
文檔編號(hào)G06F17/50GK101980227SQ20101055794
公開(kāi)日2011年2月23日 申請(qǐng)日期2010年11月25日 優(yōu)先權(quán)日2010年11月25日
發(fā)明者卞章括, 夏毅敏, 景凱凱, 林賚貺, 羅德志, 董建斌, 譚青 申請(qǐng)人:中南大學(xué)