【技術實現步驟摘要】
本專利技術屬于盾構掘進的，特別是涉及一種基于改進csm模型的大盾構滾刀布局建模方法及系統。
技術介紹
1、復合式盾構技術憑借其出色的適應性，在地質條件復雜的城市地層，特別是上軟下硬地層中得以廣泛應用。而刀具作為刀盤極為關鍵的組件，其布局設計必須精準適配地質特性與施工規范，唯有如此，方能確保施工效率與成本控制達成微妙平衡，與此同時，延長刀具使用壽命并降低刀盤振動，這對提升整體掘進效率起著至關重要的作用。
2、目前，在滾刀布局優化研究方面，取得了多方面成果。一方面，諸多學者從盾構施工效率、成本以及安全等不同角度切入，比如有的研究將推進速度、掘進比能、刀具磨損量設定為控制目標，隨后通過多目標優化和模糊決策法精準確定最優控制參數組合，從而為盾構隧道施工管控有力地提供決策指導；另一方面，部分學者建立正滾刀布局優化模型，把減少滾刀磨損速率差異、滾刀質心偏量以及刀盤傾覆力矩當作目標函數，成功地提高了隧道施工效率并降低了滾刀更換頻率。此外，還有針對滾刀磨損壽命預測的研究，開發出多目標布局優化模型及有限元仿真方法，為滾刀消耗問題給予了有效的預測及優化手段。像在青島地鐵盾構施工中，有研究基于遺傳算法對刀間距、貫入度、刀刃寬度及刀盤轉速實施優化，進而提出減少滾刀磨損的最優掘進參數及刀具結構設計方案；也有采用pareto最優解對tbm刀盤刀具布局優化展開研究，充分驗證了復雜地質條件下布局優化方法的可行性；還有基于接觸力學理論建立滾刀摩擦耗能數學模型，并通過優化邊緣滾刀刀間傾角，有效地減少了磨損量差異，同時顯著提高了掘進效率；另有基于bp神經
3、盡管現有研究為滾刀布局優化提供了豐富的理論與實踐支持，但是依然存在一些問題。首先，多數研究主要依賴傳統的csm模型，該模型雖然考慮了滾刀的法向力與滾動力，然而卻沒有充分重視側向力的作用。事實上，側向力的不均衡分布常常是導致滾刀刀圈非正常磨損與失效的關鍵因素。例如，大坂隧洞某施工段tbm滾刀失效記錄清晰地顯示，在消耗的222個滾刀刀圈中，竟有111個是因受側向力影響而出現非正常失效的情況。這種狀況不但嚴重縮短了滾刀的使用壽命，而且還極大地增加了施工成本與停機時間。其次，部分研究將多目標優化問題簡化為單目標問題處理，雖然這樣做在求解過程中會更加簡便，但是卻很可能犧牲了多個性能指標間的綜合最優解，最終限制了優化結果的全面性和實用性。
技術實現思路
1、本專利技術為解決上述
技術介紹
中存在的技術問題，提供了一種基于改進csm模型的大盾構滾刀布局建模方法及系統。
2、本專利技術采用以下技術方案：一種基于改進csm模型的大盾構滾刀布局建模方法，包括以下步驟：
3、基于項目情況和目標刀具選取對應的基本參數；
4、剖析目標刀具受力的生成機制以及相互關系得到關于目標刀具的受力特征；
5、建立改進csm模型，將所述基本參數和受力特征作為輸入利用所述改進csm模型計算得到目標刀具的實際受力；
6、以最小化刀盤總徑向合力和最小化傾覆力矩為目標函數，提出合力約束條件、傾覆力約束條件、受力約束條件、質心位置約束條件和刀間距約束條件，構建滾刀布局優化數學模型；
7、驗證所述滾刀布局優化數學模型的有效性，利用所述滾刀布局優化數學模型得到滾刀布局方案。
8、在進一步的實施例中，受力特征至少包括：垂直力、滾動力和側向力。
9、在進一步的實施例中，所述改進csm模型的表達至少包括：改進csm模型中的垂直力、改進csm模型中的滾動力和改進csm模型中的側向力；
10、其中，改進csm模型中的垂直力的表達如下：
11、；
12、式中，為第把滾刀垂直力，為滾刀的刀間距，為刀刃寬度，為無量綱系數，為滾刀與巖石的接觸角，為刀刃壓力分布系數，為巖石抗壓強度，為巖石抗剪強度，為滾刀半徑；
13、改進csm模型中的滾動力的表達如下：
14、；
15、式中，為第把滾刀的滾刀力，為刀刃角，為滾刀貫入度，表示夾角：；
16、改進csm模型中的側向力的表達如下：
17、；
18、式中，為第把滾刀的側向力。
19、在進一步的實施例中，所述最小化刀盤總徑向合力的計算公式如下：
20、；
21、式中，為x軸方向上的徑向力合力約束，為y軸方向上的徑向力合力約束，具體表示為：
22、；
23、式中，表示滾刀，為第把滾刀的側向力，為第把滾刀的滾刀力，表示第把滾刀的安裝極角，為慣性力的表達式約束條件：，其中，為單把滾刀的質量，表示滾刀角速度，為第把滾刀的安裝極徑。
24、在進一步的實施例中，所述最小化傾覆力矩的計算公式如下：
25、；
26、式中，為x軸方向上的傾覆力約束，為y軸方向上的傾覆力約束，具體表現為：
27、；
28、式中，為第把滾刀垂直力，為第把滾刀的安裝極徑，表示第把滾刀的安裝極角。
29、在進一步的實施例中，所述質心位置約束條件表示如下：
30、采用以下公式表達質心要求約束：
31、；
32、式中，為所有滾刀在刀盤上的實際質心位置，為所有滾刀在刀盤上的理論質心位置，為質心位置允許誤差；
33、滾刀在刀盤x軸上的實際質心位置約束為：
34、；
35、式中，為第把滾刀的質量，為第把滾刀的安裝極徑，表示第把滾刀的安裝極角；
36、滾刀在刀盤y軸上的實際質心位置約束為：
37、。
38、在進一步的實施例中，所述刀間距約束條件表示如下：
39、滾刀破巖刀間距約束如下：
40、；
41、式中，為刀間距，為滾刀貫入度，表示巖石破碎角；
42、則順次破巖約束表示為：，表示允許誤差值，為第把滾刀的安裝極徑，表示第把滾刀的安裝極角，表示第把滾刀的安裝極角。
43、在進一步的實施例中，所述改進csm模型中的垂直力、改進csm模型中的滾動力和改進csm模型中的側向力同樣為受力約束條件。
44、在進一步的實施例中，所述最小化刀盤總徑向合力、最小化傾覆力矩的目標函數同樣分別為合力約束條件和傾覆力約束條件。
45、一種基于改進csm模型的大盾構滾刀布局建模系統，包括：
46、第一模塊，被設置為基于項目情況和目標刀具選取對應的基本參數；
47、第二模塊，被設置為剖析目標刀具受力的生成機制以及相互關系得到關于目標刀具的受力特征；
48、第三模塊，被設置為建立改進csm模型，將所述基本參數和受力特征作為輸入利用所述改進csm模型計算得到目標刀具的實際受力；
49、第四模塊，被設置為以最小化刀盤總徑向合力和最小化傾覆力本文檔來自技高網...
【技術保護點】
1.一種基于改進CSM模型的大盾構滾刀布局建模方法，其特征在于，包括以下步驟：
2.根據權利要求1所述的一種基于改進CSM模型的大盾構滾刀布局建模方法，其特征在于，受力特征至少包括：垂直力、滾動力和側向力。
3.根據權利要求1所述的一種基于改進CSM模型的大盾構滾刀布局建模方法，其特征在于，所述改進CSM模型的表達至少包括：改進CSM模型中的垂直力、改進CSM模型中的滾動力和改進CSM模型中的側向力；
4.根據權利要求1所述的一種基于改進CSM模型的大盾構滾刀布局建模方法，其特征在于，所述最小化刀盤總徑向合力的計算公式如下：
5.根據權利要求1所述的一種基于改進CSM模型的大盾構滾刀布局建模方法，其特征在于，所述最小化傾覆力矩的計算公式如下：
6.根據權利要求1所述的一種基于改進CSM模型的大盾構滾刀布局建模方法，其特征在于，所述質心位置約束條件表示如下：
7.根據權利要求1所述的一種基于改進CSM模型的大盾構滾刀布局建模方法，其特征在于，所述刀間距約束條件表示如下：
8.根據權利要求3所述的一種
9.根據權利要求1所述的一種基于改進CSM模型的大盾構滾刀布局建模方法，其特征在于，所述最小化刀盤總徑向合力、最小化傾覆力矩的目標函數同樣分別為合力約束條件和傾覆力約束條件。
10.一種基于改進CSM模型的大盾構滾刀布局建模系統，其特征在于，包括：
...【技術特征摘要】
1.一種基于改進csm模型的大盾構滾刀布局建模方法，其特征在于，包括以下步驟：
2.根據權利要求1所述的一種基于改進csm模型的大盾構滾刀布局建模方法，其特征在于，受力特征至少包括：垂直力、滾動力和側向力。
3.根據權利要求1所述的一種基于改進csm模型的大盾構滾刀布局建模方法，其特征在于，所述改進csm模型的表達至少包括：改進csm模型中的垂直力、改進csm模型中的滾動力和改進csm模型中的側向力；
4.根據權利要求1所述的一種基于改進csm模型的大盾構滾刀布局建模方法，其特征在于，所述最小化刀盤總徑向合力的計算公式如下：
5.根據權利要求1所述的一種基于改進csm模型的大盾構滾刀布局建模方法，其特征在于，所述最小化傾覆力矩的計算公式如下：
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【專利技術屬性】
技術研發人員：王華偉，劉四進，趙佳虹，劉鵬，張紀迎，張徐，孫明鍇，田野，陳劍峰，
申請(專利權)人：中鐵十四局集團大盾構工程有限公司，
類型：發明
國別省市：
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