基于参数化建模的盾构刀盘优化方法

本发明涉及盾构刀盘，具体为一种基于参数化建模的盾构刀盘优化方法。

背景技术：

1、许多成熟的有限元软件或者数学软件都携带了多种机械结构的优化方法，但是优化过程对于模型结构的改变和载荷施加方式是不可控的，优化计算方法也是黑匣子，无法具体看到优化的细枝末节，对于优化结果的可靠性也无法确定。同时商业软件自带的优化模块具有局限性，盾构刀盘的复杂结构导致许多结构参数无法被设计为优化变量，对于盾构刀盘结构的优化设计缺乏局限性，所以开发可以结合商业软件建模以及有限元分析过程的优化算法具有重要意义。

技术实现思路

1、针对现有技术的不足，本发明提供了一种基于参数化建模的盾构刀盘优化方法，不仅可以在建模初期就将所有的结构特征参数化处理，优化过程可以针对所有的参数进行优化，同时可以选择自编的优化算法对分析结果进行处理，实现优化过程的可控和可视化。

2、为实现以上目的，本发明通过以下技术方案予以实现：一种基于参数化建模的盾构刀盘优化方法，包括以下步骤：步骤一、基于apdl参数化建模基础之上对刀盘结构优化；盾构刀盘的有限元模型包含了基本实体刀盘所有的特征结构，包括刀具、刀座、刀梁、刀盘中心板、环梁、扭腿和法兰盘。上述的模型各特征结构通过独立参数化建模，通过将刀盘各结构设计参数进行关联性设计，例如刀具位置参数、尺寸参数与刀梁位置、尺寸参数进行关联设计，可以实现对刀盘任意结构参数进行优化，刀盘建模过程自适应的效果。

3、步骤二、编写ansys的批处理文件，依据刀盘设计的极限载荷对其进行静力学加载，通过批处理文件简化ansys界面建模过程的冗余时长，快速实现盾构刀盘的建模、网格划分、施加约束以及载荷，最后求解的过程，通过apdl语言编写提取后处理结果的程序，将所需得到的von mises应力、变形以及刀盘体积数据写入到文本文件中；

4、步骤三、根据步骤二实现刀盘仿真结果的提取，通过使用python的os模块，利用python调用ansys软件；本发明通过python调用ansys软件，实现刀盘建模以及仿真全过程，由于刀盘结构复杂，网格数量众多，界面操作动画过程漫长，python调用批处理文件显著减少了ansys界面操作的时间，提高了分析效率。为后续优化结构参数，重新建模分析结果提供了快速高效的方法。

5、步骤四、使用python调用ansys批处理文件，ansys批处理文件调用编写好的建模宏文件，基于python可以实现宏观文件修改，从而达到修改模型结构参数的目的，无需每次手动修改宏文件中盾构刀盘的结构参数，只需要在python中编写循环语句，就可以实现不同结构参数下盾构刀盘的有限元建模和仿真过程。利用python对写入文本文件的仿真分析结果进行分析，利用最小二乘法拟合结构参数与结果最大von mises应力、结构参数与最大变形的拟合关系式和拟合曲线，分析结构参数与刀盘的刚度和强度关系，找出影响刀盘结构强度和刚度的敏感结构参数，然后对其进行优化设计，得出结构优化数学模型；

6、步骤五、根据步骤四建立的数学模型，引入遗传算法；

7、步骤六、根据最小二乘法拟合结构参数与最大von mises应力、变形和体积的关系式，结合结构优化数学模型，与遗传算法结合，对刀盘结构进行算法优化。

8、优选地，步骤四中，利用python编写结构参数与最大von mises应力、结构参数与最大变形的拟合关系式和拟合曲线，实现结构参数与应力、变形关系可视化，具体步骤为：首先建立刀盘结构优化的数学模型，刀盘的结构优化以最大von mises应力和最大变形作为约束条件，体积作为目标函数，对刀盘结构进行轻量化设计；

9、目标函数为：min(体积)

10、约束条件：von mises<＝许用应力

11、最大变形<＝允许最大变形

12、其中刀盘的质量利用刀盘结构的总体积来衡量，刀盘的许用应力和允许最大变形计算式如下：

13、

14、xp＝t·3％             (2)

15、式中，σlim为材料强度的极限值，s为盾构刀盘的安全系数，σp为刀盘的许用应力,xp为刀盘允许的最大变形量，t为刀盘面板的厚度。

16、本发明的有益效果是：本发明的优势在于将结构优化的过程可视化，避免了传统优化方式借助商业软件自带的优化算法进行优化，但优化过程属于黑匣子，本发明实现了优化过程结合商业软件的建模分析模块，同时优化算法可视化的目的，可以实现对优化过程的主动控制，是本领域较为创新的一种做法。本发明对于模型建立、网格划分，载荷施加都可以实现主动编码控制，避免了以往商业软件的黑匣子操作计算方式，使得优化过程更加清晰可视化。

技术特征：

1.一种基于参数化建模的盾构刀盘优化方法，其特征在于：包括以下步骤：步骤一、基于apdl参数化建模基础之上对刀盘结构优化；

2.根据权利要求1所述的基于参数化建模的盾构刀盘优化方法，其特征在于：步骤一中，盾构刀盘的有限元模型包含了基本实体刀盘所有的特征结构，包括刀具、刀座、刀梁、刀盘中心板、环梁、扭腿和法兰盘，上述的模型各特征结构通过独立参数化建模，通过将刀盘各结构设计参数进行关联性设计。

3.根据权利要求1所述的基于参数化建模的盾构刀盘优化方法，其特征在于：步骤四中，利用python编写结构参数与最大von mises应力、结构参数与最大变形的拟合关系式和拟合曲线，实现结构参数与应力、变形关系可视化，具体步骤为：首先建立刀盘结构优化的数学模型，刀盘的结构优化以最大von mises应力和最大变形作为约束条件，体积作为目标函数，对刀盘结构进行轻量化设计；

技术总结
本发明涉及盾构刀盘技术领域，具体为一种基于参数化建模的盾构刀盘优化方法，包括刀盘主体结构的APDL建模以及python对建模过程的二次开发、结合。本发明通过使用最小二乘法和遗传算法对刀盘设计结构参数进行优化设计，使刀盘结构满足施工的刚度、强度要求，同时本发明可以实现刀盘的轻量化设计。

技术研发人员：刘洋,刘鑫宇,李重庆
受保护的技术使用者：天津大学
技术研发日：
技术公布日：2024/1/13