TBM机载锚杆钻机优化设计及仿真分析

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随着隧道支护技术的不断发展,锚杆施作及设备成为隧道初期支护技术的关键。TBM机载锚杆钻机是顺应工程需要而开发的新型锚杆施作设备,为适应TBM隧道钻孔和机上布局设计的要求,开发具有合理结构和满足机载安全性能要求的机载锚杆钻机十分重要,为此展开本文的研究。论文主要内容如下:1.基于TBM机载锚杆钻机的总体结构设计方案、工作原理和关键参数,提出机载锚杆钻机的设计要求和作业空间要求,分析了关键件结构及其使用条件。2.基于锚杆钻机破岩原理,采用ANSYS中LS-DYNA模块,建立了钻头-岩石关系仿真模型。针对四齿球齿钻头钻孔过程进行数值模拟,得出钻头在钻孔时的冲击速度及侵入岩石深度变化规律,得到钻头在钻孔过程中初次冲击岩面时的状态变化过程;依据TBM机载锚杆钻机作业工况,通过调节钻孔角度、冲击能、转速、轴推力等钻进参数对钻头钻孔过程进行了结果影响分析,得到不同参数下钻头的冲击速度和侵深的变化规律。3.TBM机载锚杆钻机的工作空间范围和作业工况应能满足圆形隧道初期支护中锚杆加固的布局设计要求,依据锚杆支护系统设计方案,对TBM法施工初期支护进行仿真计算,验证方案的可行性。然后依据设置好的锚杆孔位置确定锚杆钻机的作业工况,通过ANSYS静力学仿真,研究不同工况下锚杆钻机推进梁系统和环形梁系统关键部件结构的应力分布及变形情况,以提高钻进关键件的设计可靠性。4.根据推进梁的摆动结构受力情况,分析其应力分布情况较差的原因。基于子模型思想将需要优化的部位切割出来,然后利用Workbench的Topology Optimization模块进行了拓扑优化设计。依据摆动结构的新型拓扑结构形式,考虑其设计制造工艺等因素,整合得到了新的摆动结构。对比分析优化前后摆动结构应力分布和变形情况,以及优化前后结构模态分析下的固有频率,得出优化后摆动结构的静态和动态特性明显提升的结论。
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