(19)国家知识产权局 (12)发明 专利申请 (10)申请公布号 (43)申请公布日 (21)申请 号 202210798182.6 (22)申请日 2022.07.06 (71)申请人 中国铁建重 工集团股份有限公司 地址 410100 湖南省长 沙市长沙经济技 术 开发区东七 线88号 (72)发明人 刘飞香　廖金军　尹雁飞　蒋海华　 王永胜　陈志伟　江旭　 (74)专利代理 机构 长沙七源专利代理事务所 (普通合伙) 43214 专利代理师 蔡实艳　周晓艳 (51)Int.Cl. G06F 30/23(2020.01) E21D 9/087(2006.01) E21D 9/06(2006.01) E21D 9/093(2006.01)E21D 9/12(2006.01) G06F 119/14(2020.01) (54)发明名称 一种盾构机机电液联合仿真方法 (57)摘要 本发明提供了一种盾构机机电液联合仿真 方法， 具体包括： 在动力学仿真软件中建立支承 隧道地质仿真模 型与机械多体动力学仿真模型； 在液压系统仿真软件中建立电液控制系统仿真 模型； 进行联合仿真： 电液控制系统仿真模型向 机械多体动力学仿真模型传递信号， 驱动机械多 体动力学仿真模 型进行动力学仿真； 机械多体动 力学仿真模型将动力学仿真产生的信号反向传 递给电液控制系统仿真模型进行反向修正； 输出 仿真数据。 本发明的优点在于， 能够实现支承隧 道地质仿真模 型、 机械多体动力学仿真模型以及 电液控制系统仿真模型的一体化； 同时， 基于双 向耦合的联合仿真， 能够根据不同子系统的需 求， 双向传递物理参数， 确保仿真分析的准确性、 便捷性以及高效性。 权利要求书3页 说明书7页 附图2页 CN 115169182 A 2022.10.11 CN 115169182 A 1.一种盾构机机电液联合仿真方法， 其特 征在于， 包括以下步骤： 步骤S100： 建立仿真模型， 具体是： 在动力学仿真软件中建立支承隧道地质仿真模型与机 械多体动力学仿真模型； 在液压系统仿真软件中建立电液控制系统仿真模型； 其中， 所述电液控制系统的子系 统包括推进液压系统、 铰接液压系统、 螺 旋输送机液压系统以及管片拼装机液压系统； 步骤S200： 联合仿真， 具体是： 基于动力学仿真软件 ‑液压系统仿真软件的机电液联合仿真技术， 输入双 向联合仿真 接口； 其中， 动力学仿真软件为主控， 液压系统仿真软件为从控； 液压系统仿真软件中的电液控制系统仿真模型向动力学仿真软件中的机械多体动力 学仿真模型传递信号， 驱动机 械多体动力学仿真模型进行动力学仿真； 机械多体动力学仿真模型将动力学仿真产生的信号反向传递给电液控制系统仿真模 型进行反向修 正； 输出仿真数据。 2.根据权利要求1所述的盾构机机电液联合仿真方法， 其特征在于， 在步骤S200中， 联 合仿真包括对推进液压系统以及铰接液压系统进行 联合仿真， 具体包括如下步骤： 步骤S201： 将电液控制系统仿真模型的速度信号作为原始的控制参数， 输入液压系统 仿真软件中； 步骤S202： 液压系统仿真软件运行 所述参数， 得到动态液压力； 步骤S203： 将动态液压力作为主动输入信号， 传递给机 械多体动力学仿真模型； 步骤S204： 机 械多体动力学仿真模型接收所述信号， 进行动力学仿真； 步骤S205： 机械多体动力学仿真模型将动力学仿真产生的速度信号反向传递给电液控 制系统仿真模型， 对电液控制系统仿真模型的控制参数进行反向修 正； 步骤S206： 输出仿真数据。 3.根据权利要求2所述的盾构机机电液联合仿真方法， 其特征在于， 在步骤S200中， 联 合仿真还 包括对螺 旋输送机液压系统以及管片拼装机液压系统进行 联合仿真， 具体是： 步骤S211： 采用PID控制， 将电液控制系统仿真模型的位移信号或者角度信号作 为原始 的控制参数， 传递给机 械多体动力学仿真模型； 步骤S212： 机 械多体动力学仿真模型接收所述信号， 进行动力学仿真； 步骤S213： 机械多体动力学仿真模型将动力学仿真产生的力矩信号或者扭距信号反向 传递给电液控制系统仿真模型， 对电液控制系统仿真模型的控制参数进行反向修 正； 步骤S214： 输出仿真数据。 4.根据权利要求1所述的盾构机机电液联合仿真方法， 其特征在于， 在步骤S100中， 建 立支承隧道 地质仿真模型， 具体是： 采用CRE O软件， 建立刚性隧道仿真模型以及与之对应的 盾体外轮廓仿真模型， 导入动力学仿真软件中； 所述刚性隧道仿真模型和盾体外轮廓仿真 模型之间还 包括六向衬套单 元与刚性滑动单 元； 其中， 所述六向衬套单元与刚性滑动单元以及盾体外轮廓仿真模型连接， 用于模拟盾 构机实际掘进过程中土壤与盾体的力 ‑位移关系； 所述刚性滑动单元与六向衬套单元以及 刚性隧道仿真模型连接， 用于模拟盾构机实际掘进过程中隧道与盾体的接触； 所述六向衬 套单元与刚性滑动单 元配合实现模拟盾体在隧道中的掘进。权　利　要　求　书 1/3 页 2 CN 115169182 A 25.根据权利要求4所述的盾构机机电液联合仿真方法， 其特征在于， 在步骤S100中， 还 包括对支承隧道地质仿真模型进行对标与修正， 具体是： 根据盾构机实际掘进的历史运行 数据， 对机械多体动力学仿真模型加载分区液压推进力， 对盾体外轮廓上四象限点处的六 向衬套单 元的六向力学参数进行对标与修 正， 完成支承隧道地质仿真模型的对标与修 正； 其中， 所述历史运行数据包括盾体 中心线轨迹、 盾体外轮廓上四象限点处 的土压力、 液 压系统中的分区液压推进力、 盾体前段与盾体后段的姿态轨迹以及同时间段内的隧道地质 参数。 6.根据权利要求1所述的盾构机机电液联合仿真方法， 其特征在于， 在步骤S100中， 建 立机械多体动力学仿真模型， 具体是： 采用CREO软件， 构建盾构机主要机械部件的三维模 型， 将所述三 维模型导入动力学仿 真软件中， 并在动力学仿真软件中建立相应的连接 关系， 装配成机 械多体动力学仿真模型； 其中， 所述主要机械部件包括刀盘、 前盾、 中盾、 后盾、 主驱动、 推进油缸组、 铰接油缸 组、 螺旋输送机以及管片拼装机 。 7.根据权利要求6所述的盾构机机电液联合仿真方法， 其特征在于， 在步骤S100中， 建 立机械多体动力学仿真模型， 还需对推进油缸组以及铰接油缸组的仿 真模型进行解冗余工 作， 具体包括如下步骤： 步骤S101： 按照推进油缸组在盾构机中的分区控制模式进行分区， 并在每个油缸与盾 体间采用六向衬套单 元， 用于模拟关节轴承以及阻尼套； 步骤S102： 根据关节轴承以及阻尼套 的结构和材料参数， 建立关节轴承以及阻尼套的 有限元模型； 步骤S103： 对六向衬套单元加载单向的单位力或者单位力矩， 并求出六向衬套单元的 刚度系数， 得到六向刚度系数； 步骤S104： 根据盾构机实际掘进的推进油缸压力、 行程以及车体姿态轨迹数据， 在机械 多体动力学仿真模型中对所述六向刚度参数进行调整与修 正， 完成解冗余工作。 8.根据权利要求6所述的盾构机机电液联合仿真方法， 其特征在于， 在步骤S100中， 还 包括对机械多体动力学仿真模型进行对标与修正， 具体是： 根据盾构机实际掘进的历史运 行数据， 对机械多体动力学仿真模型施加重力载荷 并取所需数据， 对机械多体动力学仿真 模型进行对标与修 正； 其中， 所需数据为推进油缸组分区推力及位移数据、 铰接油缸组推力及位移数据、 主驱 动转速及转矩数据、 螺旋输送机液压系统转速及转矩数据、 管片拼装机液压系统马达转速 及转矩数据、 盾构机车身 姿态数据以及中心轨 迹线数据。 9.根据权利要求1所述的盾构机机电液联合仿真方法， 其特征在于， 在步骤S100中， 建 立电液控制系统仿真模型， 具体是： 根据盾构 机的参数， 建立盾构 机的电液控制系统原理模 型， 将所述电液控制系统原理模型在液压系统仿真软件中进行搭建， 建立对应的电液控制 系统仿真模型， 并对所述电液控制系统的子系统进行分区控制建模。 10.根据权利要求9所述的盾构机机电液联合仿真方法， 其特征在于， 在步骤S100 中， 还 包括对电液控制系统仿真模型进行对标与修 正， 具体是： 根据盾构机实际掘进的历史运行数据， 对推进液压系统以及铰接液压系统 的对标与修 正： 取实际液压缸推力、 位移以及速度数据， 进 行闭环仿 真， 修正液压控制阀、 执行机构以及权　利　要　求　书 2/3 页 3 CN 115169182 A 3