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Accès ouvert déclaré 2026 article

Optimization method of cutter layout based on multi-objective particle swarm optimization algorithm: cases study

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Rattachement africain : cn. Niveau de preuve : code pays fourni par la source.

Le résumé fourni par la source

Abstract As the primary rock-breaking components of full-face tunnel boring machines (TBMs), the spatial arrangement of disc cutters on the cutterhead is widely recognized as a key factor influencing excavation efficiency and operational stability. This study addresses the complex nonlinear optimization problem associated with cutter layout design under multi-objective constraints. A systematic optimization framework is established in which cutter load characteristics are derived from the CSM (Colorado School of Mines) rock fracture mechanics model. Three objective functions are rigorously formulated: minimization of cutterhead overturning moment, reduction of radial force magnitude, and minimization of mass-center deviation within cutter clusters. Boundary conditions, including non-interference constraints and equidistant installation requirements, are mathematically defined to ensure engineering feasibility. A MOPSO (multi-objective particle swarm optimization) algorithm is developed for planar cutterhead configuration and subsequently extended to dual-conical W-shaped cutterheads through parametric analysis of cone-angle-induced mechanical effects. Computational results indicate that the proposed MOPSO framework exhibits strong convergence performance, achieving optimal solutions within 60 and 180 iterations for planar and W-shaped configurations, respectively. The optimization process can be clearly divided into three stages: rapid improvement, diminishing returns, and asymptotic convergence. Comparative analysis demonstrates substantial performance improvements over conventional randomized, radial, and helical cutter layouts. The optimized configurations achieve reductions of 74.83% and 92.10% in the comprehensive objective metric for planar and dual-conical cutterheads, respectively. The proposed methodology is systematically validated as a robust theoretical framework for cutterhead design, particularly in resolving force equilibrium and enhancing energy efficiency in full-face tunneling operations.

Ce résumé expose les affirmations des auteurs. BNTIC ne l’interprète pas comme une validation indépendante des résultats.

Le contrôle bibliographique ouvert

DOI retrouvé dans Crossref DOI retrouvé ; titre concordant.

Titre Crossref
Optimization method of cutter layout based on multi-objective particle swarm optimization algorithm: cases study
Date Crossref
01/04/2026
Éditeur
IOP Publishing
Type
journal-article

Ce recoupement confirme des métadonnées liées au DOI. Il ne confirme ni la méthode ni les conclusions de l’étude, et il ne compte pas comme une seconde source scientifique indépendante.

Où se fait cette recherche

  • University of Science and Technology Beijing pays non établi dans la notice
    Université ou école supérieure
  • Hefei University of Technology Anhui Provincial Key Laboratory of Urban Rail Transit Safety and Emergency Management pays non établi dans la notice
    Université ou école supérieure
  • Hefei University pays non établi dans la notice
    Université ou école supérieure
  • School of Mechanics and Civil Engineering pays non établi dans la notice
    Université ou école supérieure

University of Science and Technology Beijing, Anhui Provincial Key Laboratory of Urban Rail Transit Safety and Emergency Management — Hefei University of Technology et Hefei University, avec 1 autre affiliation.

Une affiliation ne permet pas de déduire la nationalité d’un auteur.

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