盾構刀具自動設計系統的制作方法
【專利摘要】一種盾構刀具自動設計系統，該系統基于Visual?Basic?6.0對SolidWorks?2010進行二次開發，實現參數化建模，并調用ANSYS?Workbench?10.0進行自動分析與優化。系統包括：用戶輸入模塊、基本功能模塊、性能分析模塊、優化設計模塊、刀具成本計算模塊和歷史數據管理模塊。用戶輸入刀具類型、地質參數、技術要求和刀具制造工藝要求，系統結合刀具地質適應性設計理論，對盾構刀具進行構型設計、有限元分析和結構優化設計，最終獲得目標刀具的優化三維設計結果和二維工程圖，并自動計算生產該刀具所需成本，系統自動存儲用戶輸入數據、對應的設計模型、工程圖以及生產成本數據。利用本發明實現了盾構刀具快速設計與生產成本計算，提高設計效率和設計可靠性，縮短刀具研發周期。
【專利說明】盾構刀具自動設計系統【技術領域】[0001]本發明涉及一種CAD軟件系統，尤其是涉及一種盾構刀具自動設計系統，屬于機械設計與計算機軟件交叉領域。
【背景技術】
[0002]盾構刀具作為盾構施工的開挖工具，其類型、結構與地質參數的適應性決定了地下空間工程的掘進效率與經濟性。盾構刀具屬于易損消耗件，在掘進過程中會遇到淤泥質土層、粉砂層、圓礫層、風化巖層等多種復雜地質狀況，掘進斷面內地層軟硬不均、變化頻繁，局部巖石強度很高，盾構刀具承受數十倍甚至上百倍的隨機突變載荷，這些對刀具的地質適應性提出了極高的要求。因此，針對各類不同的地質條件，能否設計或選用滿足工程施工需要的盾構刀具成為決定盾構開挖工作效率、工程進展與經濟效益的關鍵因素。
[0003]盾構根據不同地質情況選用不同類型的刀具及刀具組合，以保證刀盤結構的強度、剛度及開挖效率，盾構上常用的刀具有滾刀、切刀、中心刀、仿形刀及先行刀。本發明集成SolidWorks 2010強大的三維繪圖功能與ANSYS Workbench 10.0的專業分析功能,并結合刀具地質適應性設計理論，實現系統化設計盾構刀具。
【發明內容】
[0004]本發明的目的在于提供一種盾構刀具自動設計系統，主要是針對各類地層地質條件進行盾構刀具的關鍵參數設計、參數化建模、工程圖繪制、生產成本計算、力學性能分析和優化設計，期望得到已知地層下的目標刀具初步設計方案。
[0005]本發明是通過以下技術方案來實現的，該系統包括:
[0006](I)用戶輸入模塊，用戶輸入地質參數、技術要求和制造工藝要求，其中地質參數包括:巖石抗壓強度、抗拉強度、密度、彈性模量、體積模量、剪切模量、凝聚力、內摩擦角、膨脹角，軟土單軸抗壓強度、粘聚力、內摩擦角、水平側壓力系數；技術要求包括:刀具切削速度、刀具切削半徑、刀具貫入度、刀具使用壽命；制造工藝要求包括:材料、加工精度、熱處理、表面處理；
[0007](2)基本功能模塊，系統結合刀具地質適應性設計理論，確定盾構刀具的關鍵尺寸參數，實現對目標刀具進行基本構型設計，通過參數化建模，生成目標刀具三維模型圖，輸出刀具工程圖；
[0008](3)性能分析模塊，系統對目標刀具進行有限元受力分析，獲得目標刀具應力分布和變形分布結果；
[0009](4)優化設計模塊，用戶指定設計變量和優化目標，系統對目標刀具進行結構參數優化分析，并根據優化后的結構參數修改目標刀具三維模型圖并更新刀具工程圖；
[0010](5)刀具成本計算模塊，根據生成目標刀具的三維數據和制造工藝要求，計算生產該刀具所需的成本；
[0011](6)歷史數據管理模塊，系統自動存儲用戶輸入的數據、對應的目標刀具三維設計結果、工程圖和生產成本數據，用戶也可以從該模塊調用歷史數據。
[0012]所述的參數化建模，系統根據用戶輸入的刀具尺寸參數，從刀具數據庫中調用已有刀具零件模板，重新生成新的刀具零件模型，輸出目標刀具工程圖。
[0013]所述的有限元受力分析，是針對硬巖切削工況、軟土切削工況和軟硬交替復合地層切削工況，系統根據用戶輸入的地質參數、技術要求，修改已有的APDL分析命令流，該命令流包括材料參數的賦值、網格的劃分、外載荷的施加、約束條件的添加，系統調用修改后的APDL分析命令流，自動求解，并輸出應力分布和變形分布結果。
[0014]所述的優化設計模塊中的結構參數優化設計，用戶指定需要優化的結構參數為設計變量，并指定優化目標，修改已有的APDL優化命令流,該命令流包括設計變量與目標函數的聲明、優化方法的選擇，系統調用修改后的APDL優化命令流，自動優化分析，輸出優化后的結構參數，同時修改目標刀具模型圖和工程圖。
[0015]所述的刀具成本計算，系統根據優化設計模塊中生成的目標刀具模型圖三維數據和工程圖信息，結合用戶輸入模塊中的制造材料與工藝要求，計算目標刀具生產成本。
[0016]本系統具有良好的應用前景，特別是在盾構刀具的初期設計階段，用戶可以快速建立地質參數和刀具關鍵設計參數之間的對應關系，獲得直觀的目標刀具三維模型、二維工程圖以及生產刀具所需成本，并實現對目標刀具進行力學性能評估與結構優化，從而提高設計可靠性和設計效率。
【專利附圖】
【附圖說明】
[0017]圖1為盾構刀具自動設計系統的系統結構示意圖
[0018]圖2為盾構刀具自動設計系統的刀具參數化建模流程圖
[0019]圖3為盾構刀具自動設計系統的性能分析、優化設計和成本計算流程圖
【具體實施方式】
[0020]下面結合具體圖示，進一步闡述本發明。
[0021]參看圖1，本系統包括用戶輸入模塊、基本功能模塊、性能分析模塊、優化設計模塊、刀具成本計算模塊和歷史數據管理模塊。通過用戶輸入模塊用戶可以輸入地質參數、技術要求和制造工藝要求；系統基于Visual Basic 6.0對SolidWorks 2010進行二次開發，實現參數化建模；系統自動結合刀具地質適應性設計理論，實現對盾構刀具進行基本構型設計；系統通過調用ANSYS Workbench 10.0對目標刀具進行有限元受力分析與結構參數優化設計，最終獲得目標刀具的優化三維設計結果和二維工程圖，并自動計算生產該刀具所需成本，最后通過歷史數據管理模塊自動存儲用戶輸入數據和設計結果。
[0022]參看圖2，進行目標刀具參數化建模時，首先由用戶選擇刀具類型，并輸入地質參數、技術要求和制造工藝要求。然后用戶輸入刀具設計參數，系統獲取設計參數之后對用戶輸入的參數進行校核，如果設計參數不合理，程序自動提示用戶重新輸入；如果設計參數合理，系統接受設計參數。然后系統調用刀具三維模型庫中的三維模型樣板，系統檢索用戶需要修改的參數，修改三維模型設計參數，生成刀具三維模型并更新刀具工程圖。最后系統將結果顯示給用戶，用戶根據自己的需求對目標刀具判定是否滿意，如果不滿意，重新進入系統進行設計參數輸入，修改設計參數；如果用戶滿意，系統存儲刀具三維模型和工程圖。[0023]參看圖3，對目標刀具進行性能分析、優化設計和成本計算時，首先進入系統性能分析模塊，系統調用ANSYS Workbench 10.0有限元分析模塊，通過Solidworks 2010與ANSYSfforkbench 10.0的無縫接口自動將目標刀具三維模型導入ANSYS Workbench 10.0，并調入APDL分析命令流，對目標刀具劃分網格，施加載荷和約束，求解計算，輸出應力分布和變形分布結果。用戶對輸出結果進行判斷，如果目標刀具結構不滿足力學性能要求，則進入系統優化設計模塊，系統自動調用ANSYS Workbench 10.0優化設計模塊，用戶指定設計變量和優化目標，系統調入APDL優化命令流，進行優化計算，并輸出優化后的結構參數。最后，系統根據優化后的結構參數修改目標刀具模型，生成分析報告并根據刀具模型自動計算刀具生產所需成本。
【權利要求】
1.一種盾構刀具自動設計系統，其特征在于該系統包括: (1)用戶輸入模塊，用戶輸入地質參數、技術要求和制造工藝要求，其中地質參數包括:巖石抗壓強度、抗拉強度、密度、彈性模量、體積模量、剪切模量、凝聚力、內摩擦角、膨脹角，軟土單軸抗壓強度、粘聚力、內摩擦角、水平側壓力系數；技術要求包括:刀具切削速度、刀具切削半徑、刀具貫入度、刀具使用壽命；制造工藝要求包括:材料、加工精度、熱處理、表面處理； (2)基本功能模塊，系統結合刀具地質適應性設計理論，確定盾構刀具的關鍵尺寸參數，實現對目標刀具進行基本構型設計，通過參數化建模，生成目標刀具三維模型圖，輸出刀具工程圖； (3)性能分析模塊，系統對目標刀具進行有限元受力分析，獲得目標刀具應力分布和變形分布結果； (4)優化設計模塊，用戶指定設計變量和優化目標，系統對目標刀具進行結構參數優化分析，并根據優化后的結構參數修改目標刀具三維模型圖并更新刀具工程圖； (5)刀具成本計算模塊，根據生成目標刀具的三維數據和制造工藝要求，計算生產該刀具所需的成本； (6)歷史數據管理模塊，系統自動存儲用戶輸入的數據、對應的目標刀具三維設計結果、工程圖和生產成本數據，用戶也可以從該模塊調用歷史數據。
2.根據權利要求1所述的盾構刀具自動設計系統，其特征在于，所述的參數化建模，系統根據用戶輸入的刀具尺寸參數，從刀具數據庫中調用已有刀具零件模板，重新生成新的刀具零件模型，輸出目標刀具工程圖。
3.根據權利要求1所述的盾構刀具自動設計系統，其特征在于，所述的有限元受力分析，是針對硬巖切削工況、軟土切削工況、復合地層切削工況，系統根據用戶輸入的地質參數、技術要求，修改已有的APDL分析命令流，該命令流包括材料參數的賦值、網格的劃分、外載荷的施加、約束條件的添加，系統調用修改后的APDL分析命令流，自動求解，并輸出應力分布和變形分布結果。
4.根據權利要求1所述的盾構刀具自動設計系統，其特征在于，所述的優化設計模塊中的結構參數優化設計，用戶指定需要優化的結構參數為設計變量，并指定優化目標，修改已有的APDL優化命令流，該命令流包括設計變量與目標函數的聲明、優化方法的選擇，系統調用修改后的APDL優化命令流，自動優化分析，輸出優化后的結構參數，同時修改目標刀具模型圖和工程圖。
5.根據權利要求1所述的盾構刀具自動設計系統，其特征在于，所述的刀具成本計算，系統根據優化設計模塊中生成的目標刀具模型圖三維數據和工程圖信息，結合用戶輸入模塊中的制造材料與工藝要求，計算目標刀具生產成本。
【文檔編號】G06F17/50GK103678733SQ201210325566
【公開日】2014年3月26日 申請日期:2012年9月6日 優先權日:2012年9月6日
【發明者】夏毅敏, 卞章括, 林賚貺, 暨智勇, 胡承歡, 胡興懷, 吳元 申請人:中南大學