基于数字孪生技术的盾构机刀盘应力实时分析

作     者：廖金军 于钟博 蒋海华 赵贵生 

作者机构：中国铁建重工集团股份有限公司 中国铁建重工集团股份有限公司博士后工作站 中南大学博士后流动站 

出 版 物：《隧道建设(中英文)》 (Tunnel Construction)

年 卷 期：2025年

核心收录：

学科分类：081406[工学-桥梁与隧道工程] 08[工学] 080203[工学-机械设计及理论] 0802[工学-机械工程] 0814[工学-土木工程] 082301[工学-道路与铁道工程] 0823[工学-交通运输工程] 

主　　题：盾构机刀盘 数字孪生 实时分析 模型降阶 POD法 

摘      要：为了解决盾构机刀盘在隧道施工过程中的受力情况难以实时监测，进而滞后性分析和决策无法提供及时的工作状态反馈，本文基于数字孪生技术，提出了一种新型的刀盘实时应力分析方法。首先，本文建立了盾构机刀盘实时应力分析的数字孪生架构，结合盾构机的实际工作场景，对其刀盘进行有限元分析，获取刀盘在不同工况下的受力分布情况。为了提高计算效率和实时性，采用开源软件对全部节点数据进行了提取和处理。基于提取的节点应力数据，进一步建立了刀盘的应力数据模型，并通过与实测数据的对比，验证了模型的准确性与可靠性。在数据模型的基础上，本文进一步应用POD方法开展了刀盘有限元模型的降阶技术研究。通过降阶技术，能够在保证一定精度的前提下，极大地减少计算量，从而实现对刀盘受力状态的快速获取与实时分析。通过该方法，能够在不同施工工况下高效地提取刀盘受力数据，并进行动态监测。最后，本文将上述研究成果集成到盾构机数字孪生系统中，实现了盾构机刀盘的实时应力分析与可视化呈现，系统能够根据实际工作状态，对刀盘的受力情况进行实时监控，并提供及时反馈。研究结果表明，所提出的方法在实际应用中具有较高的虚实一致性和可靠性，可为盾构机的数字化监控提供有效支持。