CN116167271A - 一种基于有限元分析的刀盘设计及优化方法 - Google Patents
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Abstract
一种基于有限元分析的刀盘设计及优化方法，属于刀盘检测技术领域，包括：获取盾构机在开挖过程中第一刀盘的各个数据信息，包括刀盘的磨损度与厚度；建立第一刀盘的有限元模型；将第一刀盘的各个数据信息代入到有限元仿真模型中，计算出第一刀盘的应力值；根据第一刀盘的应力值，改造设计第一刀盘为第二刀盘。本发明通过有限元分析，根据刀盘的磨损度与厚度，从而精准获取刀盘在实际工况下的应力值。在此基础上，本发明直接采用光学方法对刀盘的磨损位置进行检测，其创造性的采用填充惰性气体的思想，通过限定了测量光源的波长范围，从而消除了空心光纤造成的测量不精准的问题。
Description
技术领域
本发明属于刀盘检测技术领域，更具体的，涉及一种基于有限元分析的刀盘设计及优化方法。
背景技术
在隧道施工建设领域，盾构法因其高效、环保、低噪音等优点被广泛使用。盾构法常采用掘进机作为配套设备，其原理是通过推进旋转的刀盘与掌子面的相互作用来切割土体，以达到掘进的目的。为了保障掘进机安全稳健的运作，需要对刀盘进行实时检测以便及时的更换刀具。
刀盘作为盾构机的核心部件，其结构形式、强度和整体刚度都直接影响到施工开挖的速度和成本，并且出了故障维修非常困难，因此，在不同的工程项目中，对刀盘本身的设计优化需要结合施工项目的具体情形而定，即通过已知刀盘在具体的施工项目中的测量参数进而改造该已知刀盘，测量参数包括刀盘的应力、厚度以及磨损度等参数。其中，对磨损度的精准测量尤为关键。
发明内容
为解决现有技术中存在的不足，本发明提出了一种基于有限元分析的刀盘设计及优化方法。
本发明采用如下的技术方案。
本发明公开了一种基于有限元分析的刀盘设计及优化方法，包括如下步骤：
步骤1，获取盾构机在开挖过程中第一刀盘的各个数据信息，包括：刀盘的磨损度与厚度；
步骤2，建立第一刀盘的有限元模型；
步骤3，将第一刀盘的各个数据信息代入到有限元仿真模型中，计算出第一刀盘的应力值；
步骤4，根据第一刀盘的应力值，改造设计第一刀盘为第二刀盘。
进一步的，所述步骤2具体包括：
步骤2.1，在有限元软件中绘制第一刀盘的几何模型；
步骤2.2，设置有限元仿真模型的求解器与求解方式，其中，求解器与求解方式分别为稳态与模态分析；
步骤2.3，设置材料属性并对几何模型进行网格划分；
步骤2.4，设置边界条件，其中，约束条件为零约束位移。
进一步的，步骤1中刀盘的磨损度通过光纤系统获取，其中，光纤系统包括：测量光源、光纤接头、光纤、光纤分束器、光纤缠绕器、光电探测器、放大器与CPU；光纤至少包括第一光纤、第二光纤与第三光纤，光纤分束器至少包括第一光纤分束器与第二光纤分束器；其中，光纤的内部中空，用于填充单一的惰性气体；光纤接头作为测量光源的反射光的入口与第一光纤的首端，第一光纤的尾端连接第一光纤分束器与第二光纤的首端，第二光纤的的尾端连接第二光纤分束器与第三光纤的首端。光电探测器的数量等于光纤的数量，分别置于每一个光纤的尾端用于测量光信号，放大器用于对光信号进行等比放大并传给CPU；测量光源用于对准待检测的磨损位置，从而使得其反射光射入光纤接头中；测量光源的波长范围与惰性气体的吸收范围一致；光纤缠绕器为柱状结构，其外围用于等间距螺旋式的固定光纤；
获取步骤包括步骤S1~步骤S3；
步骤S1，获取所有光电探测器的探测信号；
步骤S2，根据上述探测信号，在消除入射光光程差的损失基础上，从而计算出入射光的强度；
步骤S3，根据入射光的强度计算出刀盘的磨损度；
进一步的，步骤S2由下式决定：
其中，
、
、
分别为第一光纤、第二光纤与第三光纤对应的光电探测器的探测信号，
为惰性气体的浓度，
为波长，
为入射光的强度，
为待测有害气体在波长处的吸收截面，受温度、压强以及探测光的带宽所决定，
为第一光纤对应的光电探测器的探测信号的光程，
、
分别为第二光纤与第三光纤在光纤缠绕器上的缠绕匝数，
为光纤缠绕器上一个周期的光程。
进一步的，光纤缠绕器上螺旋状等间距的设置卡扣，用于卡住光纤，从而使得光纤严格的等间距柱状缠绕。
进一步的，光纤的内部可以填入氮气，测量光源可以选择卤钨灯。
进一步的，步骤S3具体包括：若在预设的时间阈值内，
，则判定刀盘发生
级磨损；其中，
、
为强度阈值的上限与下限。
本发明通过有限元分析，根据刀盘的磨损度与厚度，从而精准获取刀盘在实际工况下的应力值。在此基础上，本发明直接采用光学方法对刀盘的磨损位置进行检测，其创造性的采用填充惰性气体的思想，通过限定了测量光源的波长范围，从而消除了空心光纤造成的测量不精准的问题。在本发明的实施例中，考虑到空闲光纤填充气体后内径增大导致了光程的不确定性，本发明采用了至少3个光电探测器，通过将光纤等间距等曲率的固定在光纤缠绕器上，消除了初始光程（即下文中的
）的误差，以便得到更精准的检测结果。
附图说明
图1是一种基于有限元分析的刀盘设计及优化方法的流程图。
图2是检测刀盘磨损度的系统的示意图。
图3是反射光在空闲光纤内部的传播路径的示意图。
图中：1、测量光源；2、待检测的磨损位置；3、光纤接头；41、第一光纤；42、第二光纤；43、第三光纤；5、光电探测器；6、放大器。
具体实施方式
下面结合附图对本申请作进一步描述。以下实施例仅用于更加清楚地说明本发明的技术方案，而不能以此来限制本申请的保护范围。
本发明提出了一种基于有限元分析的刀盘设计及优化方法，如图1所示，包括步骤1~步骤4。
步骤1，获取盾构机在开挖过程中第一刀盘的各个数据信息，包括：刀盘的磨损度与厚度。
其中，步骤1中的第一刀盘可以理解为是模板刀盘，只有通过对模板刀盘进行全方位的测定，获取模板刀盘的各项参数信息，才能最终设计优化得到实际项目中的目标刀盘，也就是步骤4中的第二刀盘。
步骤2，建立第一刀盘的有限元模型。
具体的，步骤2包括步骤2.1~步骤2.4。
步骤2.1，在有限元软件中绘制第一刀盘的几何模型。
步骤2.2，设置有限元仿真模型的求解器与求解方式，其中，求解器与求解方式分别为稳态与模态分析。
步骤2.3，设置材料属性并对几何模型进行网格划分。
步骤2.4，设置边界条件，其中，约束条件为零约束位移。
步骤3，将第一刀盘的各个数据信息代入到有限元仿真模型中，计算出第一刀盘的应力值。
步骤4，根据第一刀盘的应力值，改造设计第一刀盘为第二刀盘。
通常情况下，可以采用例如现有技术文件CN105973896B提出的在线检测装置获取刀盘的磨损度，在现有技术文件CN105973896B中，其公开了一种基于光纤传感的盾构机刀具、刀盘磨损在线检测装置，包括光纤光栅位置传感器组，安装在待检测设备的深孔中，且光纤光栅位置传感器的光纤末端位于待检测设备的磨损极限位置；分光系统，用于将光分别传输给每个光纤光栅位置传感器；解调系统，用于将从每个光纤光栅位置传感器返回的光解调成电信号；控制系统，用于控制分光系统的开关，并对解调系统解调的电信号进行分析，判断切削刀具、磨损检测刀具或刀盘中的任意一个或几个是否磨损及磨损位置。然而，这种通过光纤光栅传感器对应变量的测量方法通常只能粗糙的测量刀盘是否磨损，却很难精确的获取刀盘的磨损程度。
基于此，本发明的步骤1中获取第一刀盘的磨损度可以通过光纤系统获取，其中，光纤系统如图2所示，可以包括：测量光源1、光纤接头3、光纤、光纤分束器、光纤缠绕器、光电探测器5、放大器6与CPU。
光纤至少包括第一光纤41、第二光纤42与第三光纤43，光纤分束器至少包括第一光纤分束器与第二光纤分束器；其中，光纤的内部中空，用于填充单一的惰性气体；光纤接头作为测量光源的反射光的入口与第一光纤的首端，第一光纤的尾端连接第一光纤分束器与第二光纤的首端，第二光纤的的尾端连接第二光纤分束器与第三光纤的首端。光电探测器的数量等于光纤的数量，分别置于每一个光纤的尾端用于测量光信号，放大器用于对光信号进行等比放大并传给CPU。测量光源用于对准待检测的磨损位置2，从而使得其反射光射入光纤接头中。
在一些实施例中，测量光源与光纤接头可以卡在与待检测的磨损位置邻近的螺栓的凹槽内部，从而保持与磨损位置的相对位置不变。
测量光源的波长范围应当与光纤内部的惰性气体的吸收范围一致。在一些实施例中，光纤的内部可以填入氮气，测量光源可以选择卤钨灯。
光纤缠绕器为柱状结构，其外围用于等间距螺旋式的固定光纤。在一些实施例中，光纤缠绕器上螺旋状等间距的设置卡扣，用于卡住光纤，从而使得光纤严格的等间距柱状缠绕。
图3示出了光纤内部反射光的传播路径，即A->B->C->D。可理解的是，当光纤严格的等间距柱状缠绕时，光纤内部反射光的折射率也随之趋于稳定，进而使得光纤缠绕器上一个周期的光程的值趋近为一个定值。
上述光纤系统获取第一刀盘的磨损度包括步骤S1~步骤S3。
步骤S1，获取所有光电探测器的探测信号。
步骤S2，根据上述探测信号，在消除入射光光程差的损失基础上，从而计算出入射光的强度。
步骤S3，根据入射光的强度计算出刀盘的磨损度。
具体的，步骤S2由下式决定：
其中，
、
、
分别为第一光纤、第二光纤与第三光纤对应的光电探测器的探测信号，
为惰性气体的浓度，
为波长，
为入射光的强度，
为待测有害气体在波长处的吸收截面，受温度、压强以及探测光的带宽所决定，
为第一光纤对应的光电探测器的探测信号的光程，
、
分别为第二光纤与第三光纤在光纤缠绕器上的缠绕匝数，
为光纤缠绕器上一个周期的光程。
可理解的，上述技术方案中，光纤的数量可以是大于等于3。
在步骤S3中，可以根据入射光的强度对刀盘发生的磨损程度按照一定细粒度的等级加以区分。具体的，步骤3可以包括：若在预设的时间阈值内，
，则判定刀盘发生
级磨损；其中，
、
为强度阈值的上限与下限。
需要说明的是，通过测量光源进行测定的方法通常并不适用于长时间大规模的刀盘磨损测定中，这是因为光纤系统造价昂贵，而且使用寿命较短。
本领域普通技术人员可以理解实现上述实施例方法中的全部或部分流程，是可以通过计算机程序来指令相关的硬件来完成，所述的计算机程序可存储于一非易失性计算机可读取存储介质中，该计算机程序在执行时，可包括如上述各方法的实施例的流程。其中，本申请所提供的各实施例中所使用的对存储器、数据库或其它介质的任何引用，均可包括非易失性和易失性存储器中的至少一种。非易失性存储器可包括只读存储器（Read-OnlyMemory，ROM）、磁带、软盘、闪存、光存储器、高密度嵌入式非易失性存储器、阻变存储器（ReRAM）、磁变存储器（Magnetoresistive Random Access Memory，MRAM）、铁电存储器（Ferroelectric Random Access Memory，FRAM）、相变存储器（Phase ChangeMemory，PCM）、石墨烯存储器等。易失性存储器可包括随机存取存储器（Random Access Memory，RAM）或外部高速缓冲存储器等。作为说明而非局限，RAM可以是多种形式，比如静态随机存取存储器（Static Random Access Memory，SRAM）或动态随机存取存储器（Dynamic Random AccessMemory，DRAM）等。本申请所提供的各实施例中所涉及的数据库可包括关系型数据库和非关系型数据库中至少一种。非关系型数据库可包括基于区块链的分布式数据库等，不限于此。本申请所提供的各实施例中所涉及的处理器可为通用处理器、中央处理器、图形处理器、数字信号处理器、可编程逻辑器、基于量子计算的数据处理逻辑器等，不限于此。
以上实施例的各技术特征可以进行任意的组合，为使描述简洁，未对上述实施例中的各个技术特征所有可能的组合都进行描述，然而，只要这些技术特征的组合不存在矛盾，都应当认为是本说明书记载的范围。
Claims (7)
1.一种基于有限元分析的刀盘设计及优化方法，其特征在于，包括如下步骤：
步骤1，获取盾构机在开挖过程中第一刀盘的各个数据信息，包括：刀盘的磨损度与厚度；
步骤2，建立第一刀盘的有限元模型；
步骤3，将第一刀盘的各个数据信息代入到有限元仿真模型中，计算出第一刀盘的应力值；
步骤4，根据第一刀盘的应力值，改造设计第一刀盘为第二刀盘。
2.根据权利要求1所述的一种基于有限元分析的刀盘设计及优化方法，其特征在于，所述步骤2具体包括：
步骤2.1，在有限元软件中绘制第一刀盘的几何模型；
步骤2.2，设置有限元仿真模型的求解器与求解方式，其中，求解器与求解方式分别为稳态与模态分析；
步骤2.3，设置材料属性并对几何模型进行网格划分；
步骤2.4，设置边界条件，其中，约束条件为零约束位移。
3.根据权利要求1所述的一种基于有限元分析的刀盘设计及优化方法，其特征在于，步骤1中刀盘的磨损度通过光纤系统获取，其中，光纤系统包括：测量光源、光纤接头、光纤、光纤分束器、光纤缠绕器、光电探测器、放大器与CPU；光纤至少包括第一光纤、第二光纤与第三光纤，光纤分束器至少包括第一光纤分束器与第二光纤分束器；其中，光纤的内部中空，用于填充单一的惰性气体；光纤接头作为测量光源的反射光的入口与第一光纤的首端，第一光纤的尾端连接第一光纤分束器与第二光纤的首端，第二光纤的的尾端连接第二光纤分束器与第三光纤的首端；光电探测器的数量等于光纤的数量，分别置于每一个光纤的尾端用于测量光信号，放大器用于对光信号进行等比放大并传给CPU；测量光源用于对准待检测的磨损位置，从而使得其反射光射入光纤接头中；测量光源的波长范围与惰性气体的吸收范围一致；光纤缠绕器为柱状结构，其外围用于等间距螺旋式的固定光纤；
获取步骤包括步骤S1~步骤S3；
步骤S1，获取所有光电探测器的探测信号；
步骤S2，根据上述探测信号，在消除入射光光程差的损失基础上，从而计算出入射光的强度；
步骤S3，根据入射光的强度计算出刀盘的磨损度。
4.根据权利要求3所述的一种基于有限元分析的刀盘设计及优化方法，其特征在于，步骤S2由下式决定：
其中，
、
、
分别为第一光纤、第二光纤与第三光纤对应的光电探测器的探测信号，
为惰性气体的浓度，
为波长，
为入射光的强度，
为待测有害气体在波长处的吸收截面，受温度、压强以及探测光的带宽所决定，
为第一光纤对应的光电探测器的探测信号的光程，
、
分别为第二光纤与第三光纤在光纤缠绕器上的缠绕匝数，
为光纤缠绕器上一个周期的光程。
5.根据权利要求3所述的一种基于有限元分析的刀盘设计及优化方法，其特征在于，光纤缠绕器上螺旋状等间距的设置卡扣，用于卡住光纤，从而使得光纤严格的等间距柱状缠绕。
6.根据权利要求3所述的一种基于有限元分析的刀盘设计及优化方法，其特征在于，光纤的内部填入氮气，测量光源选择卤钨灯。
7.根据权利要求3所述的一种基于有限元分析的刀盘设计及优化方法，其特征在于，步骤S3具体包括：若在预设的时间阈值内，
，则判定刀盘发生
级磨损；其中，
、
为强度阈值的上限与下限。
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| CN111737901A (zh) * | 2020-06-23 | 2020-10-02 | 石家庄铁道大学 | 一种刀盘疲劳寿命预测方法及其应用 |
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