复合式土压平衡盾构机刀盘对复合地层的适应性决定了施工的安全性和经济性。由于刀盘结构的多样性以及施工环境的复杂多变性，不同类型的刀盘在应对不同地层时，其综合性能表现不一，目前仍缺少对其综合性能进行评价的有效方法。在考虑刀盘性能影响因素多层次、多方面和相关联性的基础上，从刀盘的结构性能、刀具布置性能、力学性能、经济性、安...
推进速度是全断面岩石隧道掘进机（Tunnel boring machine,TBM）的重要设计参数。其值过小将降低机械的掘进效率；过大将引起刀盘的大幅振动，导致联接螺栓超常松动、引起主轴承塑性变形与断裂，严重影响施工安全。为确定推进速度的临界值，引入非线性弹簧单元模拟破岩过程中滚刀与岩石的相互作用，采用有限元法对刀盘掘进过程进行动态仿真，得...
针对盾构法隧道施工过程中如何合理地确定上覆地层松动土压力问题，提出基于极限分析理论的松动土压力计算方法。研究地层发生主动失稳时的破坏模式，假设地层为服从莫尔-库仑屈服准则的理想弹塑性体，构建由多刚性滑块构成的失稳破坏模型，考虑了黏聚力、地表超载和岩土重力对地层稳定性的影响，建立松动土压力极限分析模型。算例分析表明：在...
刀盘是全断面隧道掘进机（Tunnel boring machine，TBM）的关键部件，TBM刀盘系统设计直接关系掘进效率和可靠性。刀盘系统设计的关键是复杂岩石边界下刀群布置设计与刀盘盘体结构设计，二者相互耦合，相互影响。分析刀群与盘体支撑结构之间空间位置耦合以及支撑结构与刀盘强度刚度之间的非线性耦合关系，建立刀群与盘体支撑结构耦合布置优化模...
盾构掘进载荷与装备地质适应性密切相关，有效地控制掘进推力载荷是保证装备安全施工与提高掘进效率的关键环节。分析盾构掘进中总推力的特点，以及掘进参数、地质参数与装备构型参数等对掘进总推力的影响，利用力学分析与量纲分析的方法，建立掘进总推力力学模型。采用多元回归的方法，处理工程实测数据，对掘进总推力力学模型中的系数进行反演...
针对盾构密封舱压力系统缺乏机理模型，无法实现快速准确地压力控制问题，在密封舱压力控制机理分析基础上建立了密封舱压力动态平衡的数学模型。采用离散元法对密封舱压力场进行仿真，研究刀盘开口率、埋深等因素对密封舱压力传递关系的影响，分析了密封舱隔板压力与测点压力的映射关系，定义了密封舱压力传递系数，并在此基础上提出了密封舱压...
项目负责人：丁华锋（E-mail：dhf@ysu.edu.cn） 依托单位：燕山大学 项目批准号：50905155 1．项目简介机构的创新是机械装备的原始性创新，长期以来，装备设计中机构的创新通常是设计者凭借其经验人工实现。摆脱效率低下的传统机构创新设计方法，建立人机交互化的机构创新设计理论、方法和软件，对机械装备快速优化改进、避开国外专利垄断乃至...
滚刀的布局需要符合滚刀在刀盘面上分布均匀、分散、对称的布置位置要求，刀盘分块合理、刮碴铲斗排碴顺畅的结构设计要求，以及刀盘变形和应力小、刀盘整体受力平衡的力学性能要求。针对现有的典型滚刀布局模式难以同时满足这些要求的问题，提出一种基于灰关联分析的全断面岩石掘进机滚刀布局优化方法。通过对初始布局方案中的滚刀合理分组，并...
项目负责人：郭盛（E-mail：shguo@bjtu.edu.cn） 依托单位：北京交通大学 项目批准号：51075025 1．项目简介本项目以数理逻辑为主要数学工具，研究和开发针对空间多环机构型综合设计的新方法，从而提出一套适合此类新型机构的表示方法和综合理论体系。由于空间多环机构的复杂性，使其难以实现系统的结构表达和综合设计方法。本研究首次将数理...
隧道岩石表面形貌和岩石力学特性对撑靴接触界面刚度特性关系密切。根据隧道岩石形貌特点，采用分形数学模型分析不同分形参数与表面粗糙度之间的关系，通过投影方法建立三维隧道岩石粗糙表面数值分析模型。考虑岩石隧道表面粗糙度，岩石力学特性、撑靴数量以及复合岩层等工况，分析不同参数下撑靴载荷与法向接触刚度之间的关系。结果表明：掘进...
掘进装备推进机构是掘进装备的重要子系统，需要承受来自作业环境的重载荷、大突变载荷，同时需要传递大推进力，并实现精准的运动和力传递功能。若其刚性不够将难以承受重载荷；若其柔性不足将难以顺应大突变载荷。为解决其在推进过程中刚柔冲突的一对矛盾，保证其快速、准确、可靠、安全掘进，定义掘进装备推进机构载荷顺应性，提出推进机构载...
针对全断面硬岩掘进机（Tunnel boring machine, TBM）掘进中刀盘被困的现象，设计出一种新型的TBM刀盘驱动技术，主要特征是：正常掘进工况下采用变频电动机驱动，当刀盘被困时，脱困装置和变频电动机共同驱动。脱困装置由定速电动机和液体黏性离合器组成，液体黏性离合器一方面可以比例控制电动机的扭矩输出，另一方面可以允许定速电动机的输...
针对硬岩掘进机（Tunnel boring machine,TBM）破岩掘进过程中强振动对推进液压缸动态特性的影响，建立了推进液压缸轴向基础振动下的动态响应数学模型，并试验验证了模型的正确性。仿真研究了不同基础振动参数下液压缸失效区域，液压缸无杆腔压力波动幅值与轴向基础振动幅值成线性正相关，且在固有频率处最大，超过固有频率继续增大至90 Hz时压...
针对盾构掘进过程中位姿控制问题，提出了基于部分可观测马尔科夫决策过程（Partially observable Markov decision processes, POMDP）理论的推进载荷规划方法。在推进载荷规划模型中，将盾构自动纠偏看成不确定环境下序贯决策问题，充分考虑掘进过程中随机因素的影响，将盾构掘进过程中受到的阻力、推进载荷和盾构位姿分别定义为POMDP的状态集...
针对硬岩掘进机（Tunnel boring machine,TBM）破岩掘进过程中产生的振动对比例调速阀性能的影响，建立基础振动下比例调速阀的选型准则。选择比例调速阀为研究对象，分析其工作原理，建立比例调速阀仿真模型，并对其进行试验验证，仿真分析基础振动参数对其流量波动特性的影响规律。以10%的流量偏差值为评定标准，结合实例分析确定TBM比例调速...
为了提高相位式激光测距的精度，提出以马赫增德尔调制器作为外调制器，提高调制频率以提高测距分辨率。介绍了射频相位式激光测距试验装置的组成，该系统以小数分频锁相环产生1.5 GHz左右正弦调制信号，采用马赫增德尔调制器对光波进行强度调制，并以差分式测量的方法抵消温度引起的相位差漂移，将信号下变频后按相关法计算相位差。试验表明，...
陶瓷铸型是制造空心叶片的核心，相对于熔模铸造主流技术，基于光固化成型技术的一体化陶瓷铸型制造方法具有显著的优势：周期短、成本低、响应快，但如何控制铸型的缺陷是该方法发展的技术难题。为此，研究光固化原型台阶效应的解决方法，探讨铸型精细结构的凝胶注模复型行为，分析脱脂过程热应力对铸型质量的影响规律。结果表明：基于液态石蜡...
氧化锆陶瓷材料以其优异的性能在工业生产中具有极大的应用前景，但由于脆性大、硬度高等原因，复杂形状氧化锆零件往往难以成形和加工。为了获得复杂形状氧化锆陶瓷零件，通过溶剂沉淀法将粘接剂尼龙12覆膜至纳米氧化锆粉末的表面，然后对覆膜后的粉体进行激光选区烧结（Selective laser sintering, SLS）成形，并通过传统的冷等静压（Cold iso...
采用数字化设计和组装并直接制造成形、无需实际组装工序的机构，称之为免组装机构。激光选区熔化能够直接制造冶金结合、组织致密、尺寸精度高和良好力学性能的功能零件，是直接制造免组装机构的理想技术。研究了激光选区熔化成形免组装机构的摆放方式、间隙特征的尺寸精度和表面粗糙度、间隙特征结构优化等关键技术。通过自由设计和DiMetal-10...
项目负责人：刘辛军（E-mail：xinjunliu@mail.tsinghua.edu.cn） 依托单位：清华大学 项目批准号：51075222 1．项目简介虚拟中心机构是输出构件可以绕空间内某一固定点转动的机构，在多个应用领域有着很广的应用裕度，尤其是在高性能加工制造装备中具有潜在的应用。基于并联式主轴头的五轴联动加工中心是近年来各国机床行业研究的一个新方向。...
针对关节面上大面积骨软骨缺损修复过程中软骨形态恢复和力学环境恢复困难的问题，设计并制造一种新型聚乙二醇（Polyethylene glycol, PEG）/聚乳酸（Polylactide, PLA）/β-磷酸三钙（β-Tricalcium phosphate,β-TCP）仿生多材料复合增强骨软骨支架。基于CT扫描数据重建的羊膝关节模型上进行仿生多材料骨软骨支架的结构设计，包括多孔定制结构和...
激光选区熔化是一种精密金属增材制造技术，可以成形任意复杂的功能零件。个性化医学用品需要具有个性化的几何外形和良好的生物性能，为了探究激光选区熔化在个性化医学用品中的应用，采用DiMetal系列激光选区熔化设备成形医用金属材料如316L不锈钢、CoCrMo合金、Ti6Al4V，并对医用金属材料成形致密度、成形力学性能和几何结构成形性进行了研究...
电子束选区熔化是一种利用电子束逐层熔化金属粉末制造三维实体零件的增材制造技术，在航空航天、医学植入体等领域有很好的应用前景。利用316L不锈钢粉末为材料，研究粉末熔化阶段电子束功率恒定、单遍扫描对成形件上表面粗糙度的影响。发现电子束功率P与扫描速度v的比值是影响上表面形貌的关键因素，随着P/v值的增加，上表面形貌由网结状变化...
滚动轴承工作环境比较复杂，现场测得的振动信号往往含有大量噪声且滚动轴承早期故障特征比较微弱容易被噪声所淹没，如何有效降低滚动轴承故障信号中的噪声准确提取故障特征是一个难题。将流形理论与对偶树复小波（Dual-tree complex wavelet transform, DTCWT）方法结合，提出一种对偶树复小波流形域降噪方法。将轴承振动信号进行对偶树复小波...
航空发动机轴承腔精确的润滑与换热设计依赖于对其内油气两相润滑介质流动与换热本质的认识。针对轴承腔内复杂的油气两相润滑介质流动状态，建立轴承腔均匀流体/壁面油膜分层流动分析模型，开展腔内油气两相润滑介质流动特性研究，探讨转子转速和润滑油供油量对均匀流体和壁面油膜两相介质压力、速度以及温度分布的影响。分析模型中，气相介质...
高效、准确地检测机器人末端位姿误差是实现运动学标定的关键环节。提出一种基于单目摄像机拍摄立体靶标序列图像信息的末端执行器6维位姿误差辨识方法，构造具有平行四边形几何约束的四个空间特征点，并以平行四边形的两个消隐点为约束，建立空间刚体位姿与其二维图像映射关系模型，实现末端位姿的精确定位，然后以Delta高速并联机器人为对象，...
基于机械能守恒定律，推导了旋转叶片-机匣的碰摩表征模型。该模型不仅考虑了碰摩过程中叶片的弯曲变形，同时也考虑了由于碰撞导致的机匣变形，在表征模型中引入了机匣当量刚度。模型除可以对直板叶片-机匣之间的碰摩进行表征，还可应用于锥形叶片-机匣之间的碰摩。并且，该模型还考虑叶片的运行情况，即转速、摩擦因数等参数的影响，讨论碰摩...
在波发生器作用下，柔轮的中性层变形是谐波齿轮啮合分析的基础。柔轮变形分析基于小变形和中性层不伸长假定，但几何分析计算表明：柔轮的中性层出现伸长变形。为了真实揭示柔轮在双圆盘波发生器作用下的变形特征，提出基于强制几何约束条件和力平衡方程及连续性条件的柔轮中性层变形和内力计算方法。将波发生器作用下圆环受力分为接触区和非接...
振荡冲击器在石油钻井中的应用越来越广泛，逐渐成为钻井提速的关键技术之一。对振荡冲击器的结构、工作原理以及水击力的产生和振动机理进行分析与探讨，对水击力和振幅进行了计算，得到水击力大小与阀孔开度成反比关系且随阀孔开度变化而变化，水击频率与螺杆转速成正比关系，阀片组上下产生双水击作用。分析认为双水击作用有助于破岩，产生的...
针对轮式全方位移动平台在工程应用中存在振动大及路面适应性差等问题，基于 Mecanum 轮及传统履带的结构，提出全方位移动履带的结构，并分析全方位移动履带的运动机理；基于全方位移动履带，设计履带式全方位移动平台的布局结构，建立履带式全方位移动平台的逆运动学方程，并根据其判断平台满足全方位运动的必要条件；指出履带式全方位移动平...
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