土压平衡盾构行星减速器优化设计及仿真分析

发布时间：2017-05-16 02:15

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【摘要】：本课题来源于国家“863”高技术研究发展计划资助项目“土压平衡盾构大功率减速器”（项目编号：2007AA041802）子课题。目的在于对土压平衡盾构用大功率三级串联式行星齿轮减速器进行优化设计及仿真分析。刀盘主减速器作为土压平衡盾构机的关键主传动部件，采用三级行星齿轮传动，承担着放大扭矩以满足高负荷作业的艰巨任务。其工作条件复杂、传递的功率密度高、要求的温升小、效率高、振动噪声小、可靠性高。因此，开展盾构机主减速器的结构优化设计与仿真分析，有助于提高盾构减速器的性能，从而进一步加快盾构减速器的国产化进程。 本文针对盾构主减速器NGW型行星齿轮系统为研究对象，主要研究工作及相关成果如下： ①通过对齿数和模数的处理，，将无序的离散值转变为连续的整型数。提出了一种改进的实值编码方式，建立满足配齿、变位系数、干涉和强度等约束条件，以体积最小为目标函数的优化模型。合理选择遗传算法控制参数，编写了Matlab程序对所建的模型进行求解。研究结果表明，该改进算法全局寻优能力强，多次启动均能收敛于统一最优解。在满足各约束条件的情况下，优化后体积减小了21.056%。 ②基于有限元技术建立行星架参数化模型，对设计变量进行相关分析剔除非敏感性参数，综合考虑行星架的静动态特性，建立以体积最小和转动惯量最小的多目标优化模型。使用内切中心复合设计对优化模型进行实验设计，拟合得到高精度响应面。基于Shifted Hammersley采样技术采样响应面获得了满足约束条件的3个Pareto最优解。实现了行星架的体积最小、转动惯量最小的设计要求。 ③详细分析了齿轮的几何构成，使用APDL(ANSYS Parametric DesignLanguage)建立了行星轮系整体参数化模型。选取合适的接触刚度对所建模型进行求解，得出了行星轮系当太阳轮和其中一个行星轮在节点处相啮合的时刻的应力分布状况。此时最大接触应力为744.79MPa，小于许用接触强度，满足设计要求。研究表明行星轮系的应力情况复杂，同一时刻既有单齿啮合又有双齿啮合，各啮合区域应力分布差别较大。
【关键词】：盾构 遗传算法 行星架 多目标优化 有限元分析
【学位授予单位】：重庆大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2013
【分类号】：TH132.46
【目录】：

• 摘要3-4
• ABSTRACT4-9
• 1 绪论9-15
• 1.1 课题研究背景和意义9-10
• 1.2 国内外研究现状10-12
• 1.2.1 盾构机国内外发展现状10-11
• 1.2.2 行星轮系优化设计发展概述11-12
• 1.3 研究目的及内容12-15
• 1.3.1 研究目的12-13
• 1.3.2 研究内容13-15
• 2 基于遗传算法的行星轮系混合离散变量优化15-31
• 2.1 引言15-16
• 2.2 轮系数学模型的建立16-22
• 2.2.1 确定设计变量，建立目标函数16-17
• 2.2.2 确定约束条件17-22
• 2.3 遗传操作及优化过程22-28
• 2.3.1 简易遗传算法基本流程22-23
• 2.3.2 遗传算法基本原理与方法23-26
• 2.3.3 约束条件的处理26
• 2.3.4 混合离散变量的编码26-27
• 2.3.5 多种群技术27-28
• 2.4 优化设计计算与分析28-30
• 2.5 小结30-31
• 3 行星架多目标优化模型的建立31-39
• 3.1 引言31
• 3.2 建立参数化模型，确定设计变量31-32
• 3.3 确定约束条件，建立目标函数32-34
• 3.3.1 约束条件的确立32-34
• 3.3.2 目标函数的确立34
• 3.4 行星架有限元分析34-36
• 3.4.1 行星架模型的建立与网格划分34-35
• 3.4.2 载荷和边界条件的确立35
• 3.4.3 求解与分析35-36
• 3.5 行星架设计变量的相关分析36-38
• 3.6 小结38-39
• 4 行星架多目标优化响应面法求解与分析39-51
• 4.1 引言39
• 4.2 响应面法概述39-43
• 4.2.1 实验设计39-40
• 4.2.2 响应面模型的选取40-42
• 4.2.3 模型拟合方法42
• 4.2.4 响应面拟合度评价42-43
• 4.3 行星架多目标优化响应面的建立43-48
• 4.3.1 行星架优化响应面法的实验设计43-44
• 4.3.2 拟合响应面44-48
• 4.4 优化结果的分析与处理48-50
• 4.4.1 Shifted Hammersley 采样48
• 4.4.2 决策函数48-49
• 4.4.3 优化结果的分析49-50
• 4.5 小结50-51
• 5 行星轮系三维接触仿真分析51-62
• 5.1 引言51
• 5.2 接触算法简介51-52
• 5.3 行星轮系的参数化建模52-58
• 5.3.1 反渐开线函数的求取52-53
• 5.3.2 渐开线齿廓的建立53-54
• 5.3.3 过渡曲线的建立54-55
• 5.3.4 行星轮系的有限元模型的建立55-58
• 5.4 行星轮系应力分析58-61
• 5.4.1 载荷与边界条件的处理58-59
• 5.4.2 接触刚度的选取59
• 5.4.3 接触压力与应力分布59-61
• 5.5 小结61-62
• 6 总结与展望62-64
• 6.1 全文总结62
• 6.2 研究展望62-64
• 致谢64-65
• 参考文献65-68
• 附录68
• A. 作者在攻读学位期间发表的论文目录68
• B. 作者在攻读学位期间参与的科研项目68

【参考文献】

中国期刊全文数据库 前10条

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本文编号：369379