盾構(gòu)刀具自動(dòng)設(shè)計(jì)系統(tǒng)的制作方法
【專(zhuān)利摘要】一種盾構(gòu)刀具自動(dòng)設(shè)計(jì)系統(tǒng)，該系統(tǒng)基于Visual?Basic?6.0對(duì)SolidWorks?2010進(jìn)行二次開(kāi)發(fā)，實(shí)現(xiàn)參數(shù)化建模，并調(diào)用ANSYS?Workbench?10.0進(jìn)行自動(dòng)分析與優(yōu)化。系統(tǒng)包括：用戶(hù)輸入模塊、基本功能模塊、性能分析模塊、優(yōu)化設(shè)計(jì)模塊、刀具成本計(jì)算模塊和歷史數(shù)據(jù)管理模塊。用戶(hù)輸入刀具類(lèi)型、地質(zhì)參數(shù)、技術(shù)要求和刀具制造工藝要求，系統(tǒng)結(jié)合刀具地質(zhì)適應(yīng)性設(shè)計(jì)理論，對(duì)盾構(gòu)刀具進(jìn)行構(gòu)型設(shè)計(jì)、有限元分析和結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)，最終獲得目標(biāo)刀具的優(yōu)化三維設(shè)計(jì)結(jié)果和二維工程圖，并自動(dòng)計(jì)算生產(chǎn)該刀具所需成本，系統(tǒng)自動(dòng)存儲(chǔ)用戶(hù)輸入數(shù)據(jù)、對(duì)應(yīng)的設(shè)計(jì)模型、工程圖以及生產(chǎn)成本數(shù)據(jù)。利用本發(fā)明實(shí)現(xiàn)了盾構(gòu)刀具快速設(shè)計(jì)與生產(chǎn)成本計(jì)算，提高設(shè)計(jì)效率和設(shè)計(jì)可靠性，縮短刀具研發(fā)周期。
【專(zhuān)利說(shuō)明】盾構(gòu)刀具自動(dòng)設(shè)計(jì)系統(tǒng)【技術(shù)領(lǐng)域】[0001]本發(fā)明涉及一種CAD軟件系統(tǒng)，尤其是涉及一種盾構(gòu)刀具自動(dòng)設(shè)計(jì)系統(tǒng)，屬于機(jī)械設(shè)計(jì)與計(jì)算機(jī)軟件交叉領(lǐng)域。
【背景技術(shù)】
[0002]盾構(gòu)刀具作為盾構(gòu)施工的開(kāi)挖工具，其類(lèi)型、結(jié)構(gòu)與地質(zhì)參數(shù)的適應(yīng)性決定了地下空間工程的掘進(jìn)效率與經(jīng)濟(jì)性。盾構(gòu)刀具屬于易損消耗件，在掘進(jìn)過(guò)程中會(huì)遇到淤泥質(zhì)土層、粉砂層、圓礫層、風(fēng)化巖層等多種復(fù)雜地質(zhì)狀況，掘進(jìn)斷面內(nèi)地層軟硬不均、變化頻繁，局部巖石強(qiáng)度很高，盾構(gòu)刀具承受數(shù)十倍甚至上百倍的隨機(jī)突變載荷，這些對(duì)刀具的地質(zhì)適應(yīng)性提出了極高的要求。因此，針對(duì)各類(lèi)不同的地質(zhì)條件，能否設(shè)計(jì)或選用滿(mǎn)足工程施工需要的盾構(gòu)刀具成為決定盾構(gòu)開(kāi)挖工作效率、工程進(jìn)展與經(jīng)濟(jì)效益的關(guān)鍵因素。
[0003]盾構(gòu)根據(jù)不同地質(zhì)情況選用不同類(lèi)型的刀具及刀具組合，以保證刀盤(pán)結(jié)構(gòu)的強(qiáng)度、剛度及開(kāi)挖效率，盾構(gòu)上常用的刀具有滾刀、切刀、中心刀、仿形刀及先行刀。本發(fā)明集成SolidWorks 2010強(qiáng)大的三維繪圖功能與ANSYS Workbench 10.0的專(zhuān)業(yè)分析功能,并結(jié)合刀具地質(zhì)適應(yīng)性設(shè)計(jì)理論，實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)化設(shè)計(jì)盾構(gòu)刀具。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0004]本發(fā)明的目的在于提供一種盾構(gòu)刀具自動(dòng)設(shè)計(jì)系統(tǒng)，主要是針對(duì)各類(lèi)地層地質(zhì)條件進(jìn)行盾構(gòu)刀具的關(guān)鍵參數(shù)設(shè)計(jì)、參數(shù)化建模、工程圖繪制、生產(chǎn)成本計(jì)算、力學(xué)性能分析和優(yōu)化設(shè)計(jì)，期望得到已知地層下的目標(biāo)刀具初步設(shè)計(jì)方案。
[0005]本發(fā)明是通過(guò)以下技術(shù)方案來(lái)實(shí)現(xiàn)的，該系統(tǒng)包括:
[0006](I)用戶(hù)輸入模塊，用戶(hù)輸入地質(zhì)參數(shù)、技術(shù)要求和制造工藝要求，其中地質(zhì)參數(shù)包括:巖石抗壓強(qiáng)度、抗拉強(qiáng)度、密度、彈性模量、體積模量、剪切模量、凝聚力、內(nèi)摩擦角、膨脹角，軟土單軸抗壓強(qiáng)度、粘聚力、內(nèi)摩擦角、水平側(cè)壓力系數(shù)；技術(shù)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(tǒng)結(jié)合刀具地質(zhì)適應(yīng)性設(shè)計(jì)理論，確定盾構(gòu)刀具的關(guān)鍵尺寸參數(shù)，實(shí)現(xiàn)對(duì)目標(biāo)刀具進(jìn)行基本構(gòu)型設(shè)計(jì)，通過(guò)參數(shù)化建模，生成目標(biāo)刀具三維模型圖，輸出刀具工程圖；
[0008](3)性能分析模塊，系統(tǒng)對(duì)目標(biāo)刀具進(jìn)行有限元受力分析，獲得目標(biāo)刀具應(yīng)力分布和變形分布結(jié)果；
[0009](4)優(yōu)化設(shè)計(jì)模塊，用戶(hù)指定設(shè)計(jì)變量和優(yōu)化目標(biāo)，系統(tǒng)對(duì)目標(biāo)刀具進(jìn)行結(jié)構(gòu)參數(shù)優(yōu)化分析，并根據(jù)優(yōu)化后的結(jié)構(gòu)參數(shù)修改目標(biāo)刀具三維模型圖并更新刀具工程圖；
[0010](5)刀具成本計(jì)算模塊，根據(jù)生成目標(biāo)刀具的三維數(shù)據(jù)和制造工藝要求，計(jì)算生產(chǎn)該刀具所需的成本；
[0011](6)歷史數(shù)據(jù)管理模塊，系統(tǒng)自動(dòng)存儲(chǔ)用戶(hù)輸入的數(shù)據(jù)、對(duì)應(yīng)的目標(biāo)刀具三維設(shè)計(jì)結(jié)果、工程圖和生產(chǎn)成本數(shù)據(jù)，用戶(hù)也可以從該模塊調(diào)用歷史數(shù)據(jù)。
[0012]所述的參數(shù)化建模，系統(tǒng)根據(jù)用戶(hù)輸入的刀具尺寸參數(shù)，從刀具數(shù)據(jù)庫(kù)中調(diào)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(biāo)刀具工程圖。
[0013]所述的有限元受力分析，是針對(duì)硬巖切削工況、軟土切削工況和軟硬交替復(fù)合地層切削工況，系統(tǒng)根據(jù)用戶(hù)輸入的地質(zhì)參數(shù)、技術(shù)要求，修改已有的APDL分析命令流，該命令流包括材料參數(shù)的賦值、網(wǎng)格的劃分、外載荷的施加、約束條件的添加，系統(tǒng)調(diào)用修改后的APDL分析命令流，自動(dòng)求解，并輸出應(yīng)力分布和變形分布結(jié)果。
[0014]所述的優(yōu)化設(shè)計(jì)模塊中的結(jié)構(gòu)參數(shù)優(yōu)化設(shè)計(jì)，用戶(hù)指定需要優(yōu)化的結(jié)構(gòu)參數(shù)為設(shè)計(jì)變量，并指定優(yōu)化目標(biāo)，修改已有的APDL優(yōu)化命令流,該命令流包括設(shè)計(jì)變量與目標(biāo)函數(shù)的聲明、優(yōu)化方法的選擇，系統(tǒng)調(diào)用修改后的APDL優(yōu)化命令流，自動(dòng)優(yōu)化分析，輸出優(yōu)化后的結(jié)構(gòu)參數(shù)，同時(shí)修改目標(biāo)刀具模型圖和工程圖。
[0015]所述的刀具成本計(jì)算，系統(tǒng)根據(jù)優(yōu)化設(shè)計(jì)模塊中生成的目標(biāo)刀具模型圖三維數(shù)據(jù)和工程圖信息，結(jié)合用戶(hù)輸入模塊中的制造材料與工藝要求，計(jì)算目標(biāo)刀具生產(chǎn)成本。
[0016]本系統(tǒng)具有良好的應(yīng)用前景，特別是在盾構(gòu)刀具的初期設(shè)計(jì)階段，用戶(hù)可以快速建立地質(zhì)參數(shù)和刀具關(guān)鍵設(shè)計(jì)參數(shù)之間的對(duì)應(yīng)關(guān)系，獲得直觀的目標(biāo)刀具三維模型、二維工程圖以及生產(chǎn)刀具所需成本，并實(shí)現(xiàn)對(duì)目標(biāo)刀具進(jìn)行力學(xué)性能評(píng)估與結(jié)構(gòu)優(yōu)化，從而提高設(shè)計(jì)可靠性和設(shè)計(jì)效率。
【專(zhuān)利附圖】

【附圖說(shuō)明】
[0017]圖1為盾構(gòu)刀具自動(dòng)設(shè)計(jì)系統(tǒng)的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)示意圖
[0018]圖2為盾構(gòu)刀具自動(dòng)設(shè)計(jì)系統(tǒng)的刀具參數(shù)化建模流程圖
[0019]圖3為盾構(gòu)刀具自動(dòng)設(shè)計(jì)系統(tǒng)的性能分析、優(yōu)化設(shè)計(jì)和成本計(jì)算流程圖
【具體實(shí)施方式】
[0020]下面結(jié)合具體圖示，進(jìn)一步闡述本發(fā)明。
[0021]參看圖1，本系統(tǒng)包括用戶(hù)輸入模塊、基本功能模塊、性能分析模塊、優(yōu)化設(shè)計(jì)模塊、刀具成本計(jì)算模塊和歷史數(shù)據(jù)管理模塊。通過(guò)用戶(hù)輸入模塊用戶(hù)可以輸入地質(zhì)參數(shù)、技術(shù)要求和制造工藝要求；系統(tǒng)基于Visual Basic 6.0對(duì)SolidWorks 2010進(jìn)行二次開(kāi)發(fā)，實(shí)現(xiàn)參數(shù)化建模；系統(tǒng)自動(dòng)結(jié)合刀具地質(zhì)適應(yīng)性設(shè)計(jì)理論，實(shí)現(xiàn)對(duì)盾構(gòu)刀具進(jìn)行基本構(gòu)型設(shè)計(jì)；系統(tǒng)通過(guò)調(diào)用ANSYS Workbench 10.0對(duì)目標(biāo)刀具進(jìn)行有限元受力分析與結(jié)構(gòu)參數(shù)優(yōu)化設(shè)計(jì)，最終獲得目標(biāo)刀具的優(yōu)化三維設(shè)計(jì)結(jié)果和二維工程圖，并自動(dòng)計(jì)算生產(chǎn)該刀具所需成本，最后通過(guò)歷史數(shù)據(jù)管理模塊自動(dòng)存儲(chǔ)用戶(hù)輸入數(shù)據(jù)和設(shè)計(jì)結(jié)果。
[0022]參看圖2，進(jìn)行目標(biāo)刀具參數(shù)化建模時(shí)，首先由用戶(hù)選擇刀具類(lèi)型，并輸入地質(zhì)參數(shù)、技術(shù)要求和制造工藝要求。然后用戶(hù)輸入刀具設(shè)計(jì)參數(shù)，系統(tǒng)獲取設(shè)計(jì)參數(shù)之后對(duì)用戶(hù)輸入的參數(shù)進(jìn)行校核，如果設(shè)計(jì)參數(shù)不合理，程序自動(dòng)提示用戶(hù)重新輸入；如果設(shè)計(jì)參數(shù)合理，系統(tǒng)接受設(shè)計(jì)參數(shù)。然后系統(tǒng)調(diào)用刀具三維模型庫(kù)中的三維模型樣板，系統(tǒng)檢索用戶(hù)需要修改的參數(shù)，修改三維模型設(shè)計(jì)參數(shù)，生成刀具三維模型并更新刀具工程圖。最后系統(tǒng)將結(jié)果顯示給用戶(hù)，用戶(hù)根據(jù)自己的需求對(duì)目標(biāo)刀具判定是否滿(mǎn)意，如果不滿(mǎn)意，重新進(jìn)入系統(tǒng)進(jìn)行設(shè)計(jì)參數(shù)輸入，修改設(shè)計(jì)參數(shù)；如果用戶(hù)滿(mǎn)意，系統(tǒng)存儲(chǔ)刀具三維模型和工程圖。[0023]參看圖3，對(duì)目標(biāo)刀具進(jìn)行性能分析、優(yōu)化設(shè)計(jì)和成本計(jì)算時(shí)，首先進(jìn)入系統(tǒng)性能分析模塊，系統(tǒng)調(diào)用ANSYS Workbench 10.0有限元分析模塊，通過(guò)Solidworks 2010與ANSYSfforkbench 10.0的無(wú)縫接口自動(dòng)將目標(biāo)刀具三維模型導(dǎo)入ANSYS Workbench 10.0，并調(diào)入APDL分析命令流，對(duì)目標(biāo)刀具劃分網(wǎng)格，施加載荷和約束，求解計(jì)算，輸出應(yīng)力分布和變形分布結(jié)果。用戶(hù)對(duì)輸出結(jié)果進(jìn)行判斷，如果目標(biāo)刀具結(jié)構(gòu)不滿(mǎn)足力學(xué)性能要求，則進(jìn)入系統(tǒng)優(yōu)化設(shè)計(jì)模塊，系統(tǒng)自動(dòng)調(diào)用ANSYS Workbench 10.0優(yōu)化設(shè)計(jì)模塊，用戶(hù)指定設(shè)計(jì)變量和優(yōu)化目標(biāo)，系統(tǒng)調(diào)入APDL優(yōu)化命令流，進(jìn)行優(yōu)化計(jì)算，并輸出優(yōu)化后的結(jié)構(gòu)參數(shù)。最后，系統(tǒng)根據(jù)優(yōu)化后的結(jié)構(gòu)參數(shù)修改目標(biāo)刀具模型，生成分析報(bào)告并根據(jù)刀具模型自動(dòng)計(jì)算刀具生產(chǎn)所需成本。
【權(quán)利要求】
1.一種盾構(gòu)刀具自動(dòng)設(shè)計(jì)系統(tǒng)，其特征在于該系統(tǒng)包括: (1)用戶(hù)輸入模塊，用戶(hù)輸入地質(zhì)參數(shù)、技術(shù)要求和制造工藝要求，其中地質(zhì)參數(shù)包括:巖石抗壓強(qiáng)度、抗拉強(qiáng)度、密度、彈性模量、體積模量、剪切模量、凝聚力、內(nèi)摩擦角、膨脹角，軟土單軸抗壓強(qiáng)度、粘聚力、內(nèi)摩擦角、水平側(cè)壓力系數(shù)；技術(shù)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(tǒng)結(jié)合刀具地質(zhì)適應(yīng)性設(shè)計(jì)理論，確定盾構(gòu)刀具的關(guān)鍵尺寸參數(shù)，實(shí)現(xiàn)對(duì)目標(biāo)刀具進(jìn)行基本構(gòu)型設(shè)計(jì)，通過(guò)參數(shù)化建模，生成目標(biāo)刀具三維模型圖，輸出刀具工程圖； (3)性能分析模塊，系統(tǒng)對(duì)目標(biāo)刀具進(jìn)行有限元受力分析，獲得目標(biāo)刀具應(yīng)力分布和變形分布結(jié)果； (4)優(yōu)化設(shè)計(jì)模塊，用戶(hù)指定設(shè)計(jì)變量和優(yōu)化目標(biāo)，系統(tǒng)對(duì)目標(biāo)刀具進(jìn)行結(jié)構(gòu)參數(shù)優(yōu)化分析，并根據(jù)優(yōu)化后的結(jié)構(gòu)參數(shù)修改目標(biāo)刀具三維模型圖并更新刀具工程圖； (5)刀具成本計(jì)算模塊，根據(jù)生成目標(biāo)刀具的三維數(shù)據(jù)和制造工藝要求，計(jì)算生產(chǎn)該刀具所需的成本； (6)歷史數(shù)據(jù)管理模塊，系統(tǒng)自動(dòng)存儲(chǔ)用戶(hù)輸入的數(shù)據(jù)、對(duì)應(yīng)的目標(biāo)刀具三維設(shè)計(jì)結(jié)果、工程圖和生產(chǎn)成本數(shù)據(jù)，用戶(hù)也可以從該模塊調(diào)用歷史數(shù)據(jù)。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的盾構(gòu)刀具自動(dòng)設(shè)計(jì)系統(tǒng)，其特征在于，所述的參數(shù)化建模，系統(tǒng)根據(jù)用戶(hù)輸入的刀具尺寸參數(shù)，從刀具數(shù)據(jù)庫(kù)中調(diào)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(biāo)刀具工程圖。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的盾構(gòu)刀具自動(dòng)設(shè)計(jì)系統(tǒng)，其特征在于，所述的有限元受力分析，是針對(duì)硬巖切削工況、軟土切削工況、復(fù)合地層切削工況，系統(tǒng)根據(jù)用戶(hù)輸入的地質(zhì)參數(shù)、技術(shù)要求，修改已有的APDL分析命令流，該命令流包括材料參數(shù)的賦值、網(wǎng)格的劃分、外載荷的施加、約束條件的添加，系統(tǒng)調(diào)用修改后的APDL分析命令流，自動(dòng)求解，并輸出應(yīng)力分布和變形分布結(jié)果。
4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的盾構(gòu)刀具自動(dòng)設(shè)計(jì)系統(tǒng)，其特征在于，所述的優(yōu)化設(shè)計(jì)模塊中的結(jié)構(gòu)參數(shù)優(yōu)化設(shè)計(jì)，用戶(hù)指定需要優(yōu)化的結(jié)構(gòu)參數(shù)為設(shè)計(jì)變量，并指定優(yōu)化目標(biāo)，修改已有的APDL優(yōu)化命令流，該命令流包括設(shè)計(jì)變量與目標(biāo)函數(shù)的聲明、優(yōu)化方法的選擇，系統(tǒng)調(diào)用修改后的APDL優(yōu)化命令流，自動(dòng)優(yōu)化分析，輸出優(yōu)化后的結(jié)構(gòu)參數(shù)，同時(shí)修改目標(biāo)刀具模型圖和工程圖。
5.根據(jù)權(quán)利要求1所述的盾構(gòu)刀具自動(dòng)設(shè)計(jì)系統(tǒng)，其特征在于，所述的刀具成本計(jì)算，系統(tǒng)根據(jù)優(yōu)化設(shè)計(jì)模塊中生成的目標(biāo)刀具模型圖三維數(shù)據(jù)和工程圖信息，結(jié)合用戶(hù)輸入模塊中的制造材料與工藝要求，計(jì)算目標(biāo)刀具生產(chǎn)成本。
【文檔編號(hào)】G06F17/50GK103678733SQ201210325566
【公開(kāi)日】2014年3月26日 申請(qǐng)日期:2012年9月6日 優(yōu)先權(quán)日:2012年9月6日
【發(fā)明者】夏毅敏, 卞章括, 林賚貺, 暨智勇, 胡承歡, 胡興懷, 吳元 申請(qǐng)人:中南大學(xué)