基于PSO算法的反力架设计与优化

doi:10.3973/j.issn.2096-4498.2019.02.017

隧道建设（中英文） ›› 2019, Vol. 39 ›› Issue (2): 302-308.DOI: 10.3973/j.issn.2096-4498.2019.02.017

基于PSO算法的反力架设计与优化

王凯^{1, 2}, 张良辉³, 孙振川^{1, 2}, 李凤远^{1, 2}，张兵^{1, 2}，王超峰²

(1. 盾构及掘进技术国家重点实验室，河南郑州 450001；  2. 中铁隧道局集团有限公司，广东广州 511458；  3. 汕头市苏埃通道建设投资发展有限公司, 广东汕头 515000)

收稿日期:2018-06-25 修回日期:2018-09-07 出版日期:2019-02-20 发布日期:2019-03-05
作者简介:王凯(1989—)，男，河南信阳人，2015年毕业于中国石油大学（北京），机械工程专业，硕士，工程师，现从事盾构及掘进技术研究工作。 Email： wangkai3188@126.com。
基金资助:
国家863计划(2012AA041802)；国家973计划（2014CB046906）；中国铁路总公司科技研究开发计划(2016G004-A)；中铁隧道集团科技创新计划(隧研合2017-06)

Design and Optimization of Counterforce Frame Based on  Particle Swarm Optimization Algorithm

WANG Kai^{1, 2}, ZHANG Lianghui³, SUN Zhenchuan^{1, 2}, LI Fengyuan^{1, 2}, ZHANG Bing^{1, 2}, WANG Chaofeng²

（1. State Key Laboratory of Shield Machine and Boring Technology, Zhengzhou 450001, Henan, China； 2. China Railway Tunnel Group Co., Ltd., Guangzhou 511458, Guangdong, China； 3. Shantou SuAi Pass Construction Investment and Development Co., Ltd., Shantou 515000, Guangdong, China）

Received:2018-06-25 Revised:2018-09-07 Online:2019-02-20 Published:2019-03-05

摘要/Abstract

摘要：

为提升盾构隧道专用反力架轻量化水平和降低制造及运输成本，对其结构进行优化。首先，依据设计的反力架结构建立其有限元模型，并结合工程数据类比确定载荷条件，验算反力架强度及刚度；然后，以所有板材厚度为自变量、反力架总质量为因变量，利用方差分析的方法获得主效应图，确定5种对结构总质量贡献量大的板厚为优化变量；最后，以5种板厚为设计变量，强度、刚度指标作为约束条件，反力架质量最小为优化目标，采用PSO算法进行求解。结果表明：优化后结构的最大应力为252.2 MPa,最大变形为10.6 mm，反力架总质量从305.78 t降至274.85 t，减重比例为10.1%(30.90 t)，验证了结构优化的有效性。

关键词: 盾构隧道, 结构优化, 反力架, 有限元, PSO算法

Abstract:

The structure optimization design of counterforce frame used in shield tunnel is carried out to improve its lightweight level and reduce its manufacturing and transportation cost. Firstly, the finite element analysis model of counterforce frame is established based on design structure, the loading conditions are determined by analogy of similar engineering data，and the stress and stiffness of counterforce frame are checked. And then, the main effect diagram is obtained by using variance analysis with taking all plate thickness as independent variables and total weight of the counterforce frame as dependent variable, and 5 kinds of plate thickness effecting on structure total weight largely are set as optimization variables. Finally, the particle swarm optimization (PSO) algorithm is used to calculate by taking 5 kinds of plate thickness as design variables, strength and stiffness as constrains, and minimizing the counterforce frame mass as object. The calculations results show that the maximum stress of the optimized structure is 252.2 MPa, the maximum deformation is 10.6 mm, the total mass of the counterforce frame is reduced from 305.78 t to 274.85 t, and the mass reduction ratio is 10.1% (30.9 t), which proves the effectiveness of the structure optimization.

Key words: shield tunnel, structure optimization, counterforce frame, finite element analysis, particle swarm optimization (PSO) algorithm

中图分类号:

U 452.2

王凯, 张良辉, 孙振川, 李凤远，张兵，王超峰. 基于PSO算法的反力架设计与优化[J]. 隧道建设, 2019, 39(2): 302-308.

WANG Kai, ZHANG Lianghui, SUN Zhenchuan, LI Fengyuan, ZHANG Bing, WANG Chaofeng. Design and Optimization of Counterforce Frame Based on  Particle Swarm Optimization Algorithm[J]. Tunnel Construction, 2019, 39(2): 302-308.

[1]	王树英, 汪来, 杨鹏, 龚振宇. 渣土改良下盾构掘进富水砾砂地层响应研究[J]. 隧道建设, 2023, 43(S1): 87-97.
[2]	王儒, 翟五洲, 倪海波, 黄宏伟. 盾构隧道机械法联络通道破洞施工中管片衬砌洞门结构力学响应的数值模拟研究[J]. 隧道建设, 2023, 43(S1): 178-188.
[3]	何江, 姚连璧, 丁孝兵, 杨坤. 基于移动激光扫描的盾构隧道参数化建模[J]. 隧道建设, 2023, 43(S1): 216-221.
[4]	陈胤吉, 张治国, 木林隆, 陈杰, 陆正, 陈仲侃. 曲线隧道掘进对邻近地层和管片变形影响数值模拟分析[J]. 隧道建设, 2023, 43(S1): 271-282.
[5]	郭保和, 徐纯杰, 赵赢. 珠海隧道超大直径泥水盾构针对性设计研究[J]. 隧道建设, 2023, 43(S1): 530-534.
[6]	程阳洋, 罗斌, 张焙智. 大直径盾构隧道混凝土管片的预制技术研究[J]. 隧道建设, 2023, 43(S1): 487-492.
[7]	刘新根, 王伯芝, 刘笑娣. 基于空间S形曲线的盾构轨迹纠偏方法[J]. 隧道建设, 2023, 43(S1): 457-463.
[8]	孔德森, 滕森, 赵明凯, 时健. 盾构隧道开挖面改进三维模型和临界支护压力研究[J]. 隧道建设, 2023, 43(9): 1463-1472.
[9]	蒋益平, 陈洪胜, 李露瑶, 朱小辉, 杨正刚, 宋小庆, 曹振东. 岩溶区地铁盾构隧道下穿水源地综合勘探技术[J]. 隧道建设, 2023, 43(9): 1541-1548.
[10]	魏纲, 郭丙来, 吴海峰, 王哲, 陈博, 孙博. 多分区基坑开挖及旁侧盾构隧道变形实测分析[J]. 隧道建设, 2023, 43(8): 1316-1326.
[11]	杨君华, 陈宏明, 李荆, 尚伟, 张合沛. 大直径盾构隧道中隔墙智能安装机研制与应用技术[J]. 隧道建设, 2023, 43(7): 1215-1227.
[12]	潘海泽, 李根, 陈怡西, 罗振华, 韩建强. 基于SEM-IPA的地铁盾构隧道施工安全脆弱性关键影响因素研究[J]. 隧道建设, 2023, 43(6): 936-947.
[13]	谢小创, 张冬梅. 基于物质点法的盾构隧道涌水涌砂模拟与应用[J]. 隧道建设, 2023, 43(6): 1045-1056.
[14]	魏纲, 章亦然, 蒋吉清, 丁亮, 董北北. 基于希尔伯特-黄变换的地铁整体道床局部脱空识别[J]. 隧道建设, 2023, 43(5): 754-760.
[15]	高坤, 苏校锋, 张志伟, 梁荣柱, 李忠超, 郭杨, 乐腾胜. 新建隧道上穿引起既有盾构隧道纵向隆起分析[J]. 隧道建设, 2023, 43(5): 770-778.

基于PSO算法的反力架设计与优化

Design and Optimization of Counterforce Frame Based on  Particle Swarm Optimization Algorithm

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