CN103678733A

CN103678733A - 盾构刀具自动设计系统

Info

Publication number: CN103678733A
Application number: CN201210325566.2A
Authority: CN
Inventors: 夏毅敏; 卞章括; 林赉贶; 暨智勇; 胡承欢; 胡兴怀; 吴元
Original assignee: Central South University
Current assignee: Central South University
Priority date: 2012-09-06
Filing date: 2012-09-06
Publication date: 2014-03-26

Abstract

一种盾构刀具自动设计系统，该系统基于Visual Basic 6.0对SolidWorks 2010进行二次开发，实现参数化建模，并调用ANSYS Workbench 10.0进行自动分析与优化。系统包括：用户输入模块、基本功能模块、性能分析模块、优化设计模块、刀具成本计算模块和历史数据管理模块。用户输入刀具类型、地质参数、技术要求和刀具制造工艺要求，系统结合刀具地质适应性设计理论，对盾构刀具进行构型设计、有限元分析和结构优化设计，最终获得目标刀具的优化三维设计结果和二维工程图，并自动计算生产该刀具所需成本，系统自动存储用户输入数据、对应的设计模型、工程图以及生产成本数据。利用本发明实现了盾构刀具快速设计与生产成本计算，提高设计效率和设计可靠性，缩短刀具研发周期。

Description

盾构刀具自动设计系统

技术领域

本发明涉及一种CAD软件系统，尤其是涉及一种盾构刀具自动设计系统，属于机械设计与计算机软件交叉领域。

背景技术

盾构刀具作为盾构施工的开挖工具，其类型、结构与地质参数的适应性决定了地下空间工程的掘进效率与经济性。盾构刀具属于易损消耗件，在掘进过程中会遇到淤泥质土层、粉砂层、圆砾层、风化岩层等多种复杂地质状况，掘进断面内地层软硬不均、变化频繁，局部岩石强度很高，盾构刀具承受数十倍甚至上百倍的随机突变载荷，这些对刀具的地质适应性提出了极高的要求。因此，针对各类不同的地质条件，能否设计或选用满足工程施工需要的盾构刀具成为决定盾构开挖工作效率、工程进展与经济效益的关键因素。

盾构根据不同地质情况选用不同类型的刀具及刀具组合，以保证刀盘结构的强度、刚度及开挖效率，盾构上常用的刀具有滚刀、切刀、中心刀、仿形刀及先行刀。本发明集成SolidWorks 2010强大的三维绘图功能与ANSYS Workbench 10.0的专业分析功能，并结合刀具地质适应性设计理论，实现系统化设计盾构刀具。

发明内容

本发明的目的在于提供一种盾构刀具自动设计系统，主要是针对各类地层地质条件进行盾构刀具的关键参数设计、参数化建模、工程图绘制、生产成本计算、力学性能分析和优化设计，期望得到已知地层下的目标刀具初步设计方案。

本发明是通过以下技术方案来实现的，该系统包括：

(1)用户输入模块，用户输入地质参数、技术要求和制造工艺要求，其中地质参数包括：岩石抗压强度、抗拉强度、密度、弹性模量、体积模量、剪切模量、凝聚力、内摩擦角、膨胀角，软土单轴抗压强度、粘聚力、内摩擦角、水平侧压力系数；技术要求包括：刀具切削速度、刀具切削半径、刀具贯入度、刀具使用寿命；制造工艺要求包括：材料、加工精度、热处理、表面处理；

(2)基本功能模块，系统结合刀具地质适应性设计理论，确定盾构刀具的关键尺寸参数，实现对目标刀具进行基本构型设计，通过参数化建模，生成目标刀具三维模型图，输出刀具工程图；

(3)性能分析模块，系统对目标刀具进行有限元受力分析，获得目标刀具应力分布和变形分布结果；

(4)优化设计模块，用户指定设计变量和优化目标，系统对目标刀具进行结构参数优化分析，并根据优化后的结构参数修改目标刀具三维模型图并更新刀具工程图；

(5)刀具成本计算模块，根据生成目标刀具的三维数据和制造工艺要求，计算生产该刀具所需的成本；

(6)历史数据管理模块，系统自动存储用户输入的数据、对应的目标刀具三维设计结果、工程图和生产成本数据，用户也可以从该模块调用历史数据。

所述的参数化建模，系统根据用户输入的刀具尺寸参数，从刀具数据库中调用已有刀具零件模板，重新生成新的刀具零件模型，输出目标刀具工程图。

所述的有限元受力分析，是针对硬岩切削工况、软土切削工况和软硬交替复合地层切削工况，系统根据用户输入的地质参数、技术要求，修改已有的APDL分析命令流，该命令流包括材料参数的赋值、网格的划分、外载荷的施加、约束条件的添加，系统调用修改后的APDL分析命令流，自动求解，并输出应力分布和变形分布结果。

所述的优化设计模块中的结构参数优化设计，用户指定需要优化的结构参数为设计变量，并指定优化目标，修改已有的APDL优化命令流，该命令流包括设计变量与目标函数的声明、优化方法的选择，系统调用修改后的APDL优化命令流，自动优化分析，输出优化后的结构参数，同时修改目标刀具模型图和工程图。

所述的刀具成本计算，系统根据优化设计模块中生成的目标刀具模型图三维数据和工程图信息，结合用户输入模块中的制造材料与工艺要求，计算目标刀具生产成本。

本系统具有良好的应用前景，特别是在盾构刀具的初期设计阶段，用户可以快速建立地质参数和刀具关键设计参数之间的对应关系，获得直观的目标刀具三维模型、二维工程图以及生产刀具所需成本，并实现对目标刀具进行力学性能评估与结构优化，从而提高设计可靠性和设计效率。

附图说明

图1为盾构刀具自动设计系统的系统结构示意图

图2为盾构刀具自动设计系统的刀具参数化建模流程图

图3为盾构刀具自动设计系统的性能分析、优化设计和成本计算流程图

具体实施方式

下面结合具体图示，进一步阐述本发明。

参看图1，本系统包括用户输入模块、基本功能模块、性能分析模块、优化设计模块、刀具成本计算模块和历史数据管理模块。通过用户输入模块用户可以输入地质参数、技术要求和制造工艺要求；系统基于Visual Basic 6.0对SolidWorks 2010进行二次开发，实现参数化建模；系统自动结合刀具地质适应性设计理论，实现对盾构刀具进行基本构型设计；系统通过调用ANSYS Workbench 10.0对目标刀具进行有限元受力分析与结构参数优化设计，最终获得目标刀具的优化三维设计结果和二维工程图，并自动计算生产该刀具所需成本，最后通过历史数据管理模块自动存储用户输入数据和设计结果。

参看图2，进行目标刀具参数化建模时，首先由用户选择刀具类型，并输入地质参数、技术要求和制造工艺要求。然后用户输入刀具设计参数，系统获取设计参数之后对用户输入的参数进行校核，如果设计参数不合理，程序自动提示用户重新输入；如果设计参数合理，系统接受设计参数。然后系统调用刀具三维模型库中的三维模型样板，系统检索用户需要修改的参数，修改三维模型设计参数，生成刀具三维模型并更新刀具工程图。最后系统将结果显示给用户，用户根据自己的需求对目标刀具判定是否满意，如果不满意，重新进入系统进行设计参数输入，修改设计参数；如果用户满意，系统存储刀具三维模型和工程图。

参看图3，对目标刀具进行性能分析、优化设计和成本计算时，首先进入系统性能分析模块，系统调用ANSYS Workbench 10.0有限元分析模块，通过Solidworks 2010与ANSYSWorkbench 10.0的无缝接口自动将目标刀具三维模型导入ANSYS Workbench 10.0，并调入APDL分析命令流，对目标刀具划分网格，施加载荷和约束，求解计算，输出应力分布和变形分布结果。用户对输出结果进行判断，如果目标刀具结构不满足力学性能要求，则进入系统优化设计模块，系统自动调用ANSYS Workbench 10.0优化设计模块，用户指定设计变量和优化目标，系统调入APDL优化命令流，进行优化计算，并输出优化后的结构参数。最后，系统根据优化后的结构参数修改目标刀具模型，生成分析报告并根据刀具模型自动计算刀具生产所需成本。

Claims

1.一种盾构刀具自动设计系统，其特征在于该系统包括：

2.根据权利要求1所述的盾构刀具自动设计系统，其特征在于，所述的参数化建模，系统根据用户输入的刀具尺寸参数，从刀具数据库中调用已有刀具零件模板，重新生成新的刀具零件模型，输出目标刀具工程图。

3.根据权利要求1所述的盾构刀具自动设计系统，其特征在于，所述的有限元受力分析，是针对硬岩切削工况、软土切削工况、复合地层切削工况，系统根据用户输入的地质参数、技术要求，修改已有的APDL分析命令流，该命令流包括材料参数的赋值、网格的划分、外载荷的施加、约束条件的添加，系统调用修改后的APDL分析命令流，自动求解，并输出应力分布和变形分布结果。

4.根据权利要求1所述的盾构刀具自动设计系统，其特征在于，所述的优化设计模块中的结构参数优化设计，用户指定需要优化的结构参数为设计变量，并指定优化目标，修改已有的APDL优化命令流，该命令流包括设计变量与目标函数的声明、优化方法的选择，系统调用修改后的APDL优化命令流，自动优化分析，输出优化后的结构参数，同时修改目标刀具模型图和工程图。

5.根据权利要求1所述的盾构刀具自动设计系统，其特征在于，所述的刀具成本计算，系统根据优化设计模块中生成的目标刀具模型图三维数据和工程图信息，结合用户输入模块中的制造材料与工艺要求，计算目标刀具生产成本。