一种基于设计原则最优的凿岩台车定制化设计方法技术

本发明专利技术涉及一种基于设计原则最优的凿岩台车定制化设计方法，属于工程装备优化设计技术领域。本发明专利技术提出的基于设计原则最优化的定制化设计模型，有效缩短设计周期，降低生产成本，缩短施工工期；本发明专利技术建立的水平面约束条件，实现了凿岩台车在给定工作断面范围内，施工过程中不产生掌子面法向位移，提高了施工效率；本发明专利技术选择的差分进化算法，采用实数编码方式，更符合凿岩台车臂架设计问题实际情况，相比传统算法具有更短的运算时间和更高的运算精度。算精度。算精度。

【技术实现步骤摘要】
一种基于设计原则最优的凿岩台车定制化设计方法


[0001]本专利技术涉及一种基于设计原则最优的凿岩台车定制化设计方法，属于工程装备优化设计
，特别涉及一种面向复杂施工环境及成本工期的凿岩台车最优化定制设计方法。

技术介绍

[0002]凿岩台车作为一种隧道及地下工程钻爆法施工常用的大型工程装备，施工时，由于围岩种类、工作断面等环境复杂多变，且凿岩台车造价昂贵、设计周期长，因此经常产生凿岩台车对变化的环境适应性灵活性不足、施工效率低、成本过高等问题。凿岩台车可以通过模块化划分为多个功能模块，其中，臂架系统受环境、工况影响最大，针对凿岩台车的臂架系统进行定制化设计，对提升凿岩台车的施工效率、降低施工成本具有重要意义。
[0003]目前凿岩台车的设计主要通过类比历史工况结合计算公式进行参数设计，通过仿真、试验进行测试调整。王幼飞在凿岩钻车工作臂的设计中将臂架的运动范围进行投影，计算臂架尺寸与工作断面的关系，对臂架长度进行设计；卜英勇在钻臂优化设计中以重量为目标，建立臂体受力强度、刚度等约束，通过罚函数迭代收敛对臂体参数进行了优化设计；李建修在凿岩台车支臂主参数的优化设计中以误差为目标，建立支臂安装、运动等约束条件，通过约束变尺度法对支臂长度和安装角度进行优化设计。
[0004]目前凿岩台车的设计主要通过类比历史工况结合计算公式进行参数设计，通过仿真、试验进行测试调整。当施工环境和客户需求发生变化时，需要重新构建设计模型并进行仿真、试验，设计周期与设计精确性依赖设计人员的经验。且目前凿岩台车臂架系统的设计方法仅仅针对臂架参数进行优化设计，忽略了臂架数、施工车数的影响。
[0005]当前在大型工程装备精益制造背景下，以最短施工工期和最小成本完成新设计逐渐成为装备制造企业的重要生产目标之一，现有的模型忽略成本与工期的影响。同时，以重量、受力为目标的模型参数难以获取，特别是随着有限元技术的进步，受力模型的精确程度较有限元分析方法也存在一定差距。

技术实现思路

[0006]本专利技术的技术解决问题是：克服现有技术的不足，提出一种基于设计原则最优的凿岩台车定制化设计方法，解决凿岩台车无法实现以成本为目标的自适应定制化设计的问题，该方法包括基于设计经验与知识的定制化设计模型与差分进化算法求解，首先在工期、工作断面等约束下，以成本最低为目标建立凿岩台车臂架系统的定制化设计模型，从多角度进行凿岩台车臂架尺寸、臂架数、车数和工作角度的设计，通过差分进化算法进行快速准确求解，实现臂架参数、臂架数、车数定制化设计的同时，降低生产、施工成本，提高求解速度和精度。
[0007]本专利技术的技术解决方案是：
[0008]一种基于设计原则最优的凿岩台车定制化设计方法，该方法的步骤包括：
[0009]步骤1，读取环境需求数据，包括最大工作断面高high、最大工作断面宽width、钻孔深度L和期望工期S
exp
，总工作里程L
all
；
[0010]步骤2，对凿岩台车臂架进行设计要素分析，臂架包括两个主臂和0
‑
2个辅臂，两个主臂分别为主臂1和主臂2，当辅臂有2个时，辅臂分别为辅臂P1和辅臂P2，确定主臂1和主臂2的最佳俯仰工作角度均α1，确定辅臂P1和辅臂P2的最佳俯仰工作角度均α2，确定主臂1和主臂2的最佳横摆工作角度均β1，确定辅臂P1和辅臂P2的最佳横摆工作角度均β2，确定主臂1和主臂2的一臂长度M1，确定辅臂P1和辅臂P2的一臂长度M2，确定主臂1和主臂2的二臂长度N1，确定辅臂P1和辅臂P2的二臂长度N2，确定推进梁底座长度σ、车数NUM为优化配置变量；
[0011]辅臂P1和辅臂P2，取1代表辅助臂存在，取0不存在，即(0,0)为两臂，(0,1)和(1,0)为三臂，(1,1)为四臂；
[0012]步骤3，建立基于设计经验与知识的定制化设计模型，以成本最低为目标函数，成本包括臂架制造成本、臂架运维成本和工期成本(影响工期成本的参数包括工作时长、工作车辆数)，则目标函数为：
[0013]z＝a
×
(2+P1+P2)
×
num+b
×
[2(M1+N1)+(P1+P2)(M2+N2)]×
num+c
×
S
[0014]其中，a表示单个臂架的运维成本，b表示单个臂架的制造成本，c表示单个臂架的工期成本；S表示预计工期；
[0015]预计工期S的确定方法为：
[0016][0017]其中，P＝P1+P2+2，L表示钻孔深度，S
AREA
表示开挖面积，开挖时的施工断面近似椭圆面，S
AREA
通过下式获取：
[0018]S
AREA
＝π
·
width
·
high/4
[0019]工期约束为：
[0020]S≤S
exp
[0021]步骤4，分析掌子面臂架坐标系投影，确定掌子面设计原则，分别建立主臂和辅臂的最佳俯仰工作角度、最佳横摆工作角度、一臂长度、二臂长度的约束条件，按照臂架工作区域划分建立凿岩台车掌子面约束条件：
[0022]width/num≤2(M1+N1)sinβ1[0023]high≤(M1+N1)sinα1[0024]width/num≤2(M2+N2)sinβ2[0025]high≤2(M2+N2)sinα2[0026]步骤5，分析水平面臂架坐标系投影，确定水平面设计原则，分别建立主臂、辅臂、主臂与辅臂之间的最佳俯仰工作角度、最佳横摆工作角度、一臂长度、二臂长度的约束条件，建立凿岩台车水平面约束：
[0027](M1+N1)cosα1·
cosβ1≥M1[0028](M2+N2)cosα2·
cosβ2≥M1[0029]M1≥M2[0030]步骤6，分析推进梁底座坐标系投影，确定推进梁底座长度设计原则，建立推进梁底座长度与钻孔深度之间的约束条件为：
[0031]L≤σ≤1.5L
[0032]步骤7，对建立基于知识与数据融合设计原则的定制化设计模型，采用可行性原则处理约束条件的差分进化(DE/rand/1/bin)算法寻优，在传统的差分演化算法中，采用“DE/x/y/z”来表示和区别不同的差分演化算法，其中“DE”表示差分演化算法，“x”表示基向量的选择方式，“y”表示差分向量的个数，“z”表示交叉操作方式，定制化设计模型采用DE/rand/1/bin的差分进化，表示选取随机个体的一维差分向量二项式交叉方式的差分进化，这种差分进化策略可以保持种群多样性，扩大搜索范围，减少陷入局部最优的可能性。
[0033]有益效果
[0034](1)本专利技术提出的基于设计原则最优化的定制化设计模型，从成本角度以成本为目标函数，结合工作断面、工期、总工作里程、钻孔深度因素，实现了凿岩台车臂架系统在不同环境和工况下对臂架尺寸、臂架数、车数定制化设计，有效缩短设计周期，降本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种基于设计原则最优的凿岩台车定制化设计方法，其特征在于该方法的步骤包括：步骤1，读取环境需求数据；步骤2，确定凿岩台车臂架的设计要素；步骤3，根据步骤1读取的环境需求数据和步骤2确定的设计要素，确定目标函数、工期约束条件、掌子面约束条件、水平面约束条件和推进梁底座长度约束条件，并根据确定的目标函数、工期约束条件、掌子面约束条件、水平面约束条件和推进梁底座长度约束条件，建立基于设计经验与知识的定制化设计模型；步骤4，寻优求解步骤3建立的定制化设计模型，完成基于设计原则最优的凿岩台车定制化设计方法。2.根据权利要求1所述的一种基于设计原则最优的凿岩台车定制化设计方法，其特征在于：所述步骤1中，读取的环境需求数据包括最大工作断面高high、最大工作断面宽width、钻孔深度L和期望工期S
exp
，总工作里程L
all
。3.根据权利要求1或2所述的一种基于设计原则最优的凿岩台车定制化设计方法，其特征在于：所述步骤2中，臂架包括两个主臂和0
‑
2个辅臂，两个主臂分别为主臂1和主臂2，当辅臂有2个时，辅臂分别为辅臂P1和辅臂P2；确定的设计要素包括辅臂个数，主臂1和主臂2的最佳俯仰工作角度均α1，辅臂P1和辅臂P2的最佳俯仰工作角度均α2，主臂1和主臂2的最佳横摆工作角度均β1，辅臂P1和辅臂P2的最佳横摆工作角度均β2，主臂1和主臂2的一臂长度M1，辅臂P1和辅臂P2的一臂长度M2，主臂1和主臂2的二臂长度N1，辅臂P1和辅臂P2的二臂长度N2，推进梁底座长度σ、车数NUM。辅臂P1和辅臂P2，取1代表辅助臂存在，取0不存在，即(0,0)为两臂，(0,1)和(1,0)为三臂，(1,1)为四臂。4.根据权利要求3所述的一种基于设计原则最优的凿岩台车定制化设计方法，其特征在于：所述步骤3中，以成本最低为目标函数，则目标函数为：Z＝a
×
(2+P1+P2)
×

【专利技术属性】
技术研发人员：高其航，郭宏伟，杨静超，
申请(专利权)人：北京理工大学，
类型：发明
国别省市：