TBM刀盤的有限元參數化建模系統開發

潘伶伶，焦永樹，蔡宗熙

(1.河北工業大學機械工程學院，天津 300130;2.天津大學力學系，天津 300072)

0 引言

TBM(Tunnel Boring Machine全斷面硬巖隧道掘進機)作為巖石隧道開挖的專用機械，以其自動化程度高、人力耗費少、施工速度快及隧洞成形規則等優點，在隧道工程中已得到廣泛應用。刀盤是TBM中的關鍵部件，對TBM的掘進性能起著至關重要的作用。因此，深入研究刀盤的靜、動力工作特性，對提高掘進效率、降低施工成本具有重要意義。近年來，很多學者對TBM刀盤的破巖機制和與設計制造相關的技術問題進行了一些研究，并取得了一些有實用價值的成果，如:張厚美［1］、夏毅敏等［2］、馬泳濤等［3］對 TBM 刀盤破巖的力學性能進行了理論和數值分析;曹旭陽等［4］、HUO Junzhou 等［5］研究了 TBM 刀盤刀具的布置方式;李震等［6］基于多目標遺傳算法，對TBM刀盤的主要結構參數進行了優化設計;翟國強等［7］探討了刀盤的進出渣結構設計問題;桑松嶺［8］通過改變支撐筋布置方式對TBM刀盤進行了優化設計。

在上述研究中，對刀盤系統進行有限元分析是對其結構進行設計和優化的必要前提。而對于TBM刀盤這類極為復雜的結構，有限元模型的建立往往要花費大量的時間和精力。同時，由于刀盤系統的設計需要滿足作業地段的地質條件和施工要求，屬非標準定制設計，其設計模型的可復制性較差。此外，由于不同軟件在數據處理精度上存在一定差異，由專業建模軟件(如SolidWorks、Pro/E等)所建立的模型在導入有限元軟件過程中往往會出現幾何元素丟失或交叉等問題，而這些問題的修正也是一項耗時、費力的工作。若能實現有限元參數化建模，可顯著減少模型構建工作量，極大縮短設計周期。目前，已有多位學者采用參數化建模技術，對類似復雜結構的有限元模型實現了參數化構建，如:劉東［9］、莫江濤等［10］、薛龍泉等［11］將 VC++ 與 ANSYS結合，實現了針對自升式海洋平臺樁腿及樁靴、工程中常見的螺旋結構、汽車發動機曲軸等結構的參數化建模;韓偉峰等［12］應用 VB 與 CATIA 和 ANSYS結合，陳昊［13］采用C++Builder與ANSYS結合，實現了用于軟土或復合地層盾構刀盤的參數化建模與有限元分析。截至目前，對應用于硬巖地層的TBM刀盤系統的有限元參數化建模，還未見文獻報道。本文結合VC++與ANSYS，開發了適用于TBM刀盤的有限元參數化建模系統。

1 基于APDL的模型創建

TBM刀盤系統各部分細部結構相當復雜，對實際結構進行精確有限元分析是非常困難的。因此，需要在不改變結構形態和特征尺寸的前提下，對實際模型進行必要的簡化。本文采取的主要簡化措施包括:1)忽略刀盤面板上的焊縫、人孔等細小結構;2)簡化刀座內部結構，以中空塊體代替;3)將滾刀看成一整體，忽略其內部軸承、密封圈等細部結構。

在模型簡化的基礎上，還需選取描述模型結構特征和尺寸的控制參數。這些控制參數應具有獨立性和相容性。獨立性是指這些參數不僅不能彼此替代，亦不能通過特定的幾何或物理關系相互導出;相容性是指這些參數本身以及由這些參數衍生出來的細部結構參數，不能出現尺寸沖突。在詳細分析了簡化后的TBM刀盤系統的結構特征后，本文設置了51個可變參數，其中:結構特征參數7個，包括肋板數目、滾刀型號及各類刀具數目等;結構尺寸參數40個，包括刀盤面板半徑、前面板厚度及各刀具位置坐標等;網格尺寸參數4個，包括刀盤基體網格尺寸，滾刀刀體、刀箱網格尺寸以及其他網格尺寸等。

根據選取的模型控制參數，再按照實際需要設定一系列中間變量，應用ANSYS提供的APDL參數化設計語言，編制刀盤系統模型創建的命令流程序代碼作為參數化建模程序。

刀盤整體結構可以分為刀盤基體和刀具2模塊，其創建過程可以按照如下順序來完成，即:刀盤基體創建、刀具創建和刀具與刀盤基體裝配。首先，根據給定的刀盤面板、垂直及傾斜筋板、肋板及后座結構等尺寸，創建原始刀盤基體模型。此部分主要采用VROTA(面旋轉成體)及CYLIND(生成柱體)等命令實現。為便于后續的裝配，需要在原始刀盤基體的刀具相應位置(由徑向和環向坐標確定)處切孔，此部分主要利用DO－LOOP循環及VSBV(體布爾減)命令完成。帶刀孔的刀盤基體模型如圖1(a)所示。其次，TBM刀盤系統中的刀具以滾刀為主，滾刀在此細分為寬型滾刀和窄型滾刀。滾刀的生成主要由VROTA、BLOCK(生成塊體)及VEXT(面拖成體)等方式來實現。單刃滾刀均按寬型滾刀創建，中心滾刀、多刃滾刀均由窄型滾刀按刀刃數目復制(VGEN)而成。各類滾刀模型如圖1(b)、(c)、(d)所示。再次，按照各刀具柱坐標定位參數，將各刀具置于刀盤基體相應位置，利用粘接命令(VGLUE)即可完成裝配，從而生成刀盤模型。另外，為便于網格劃分，在建模過程中已添加相應程序對模型進行了一系列切割調整等操作。

圖1 建模過程模型圖Fig.1 Modeling process

模型創建完畢后，對加載求解程序也進行了相應封裝。刀盤在工作中承受的主要載荷有推力和扭矩2種。本文中的推力以均布載荷形式施加于刀盤底板上，扭矩通過耦合方式施加于底板中心，位移約束施加于各滾刀刀圈頂部。全部建模及加載求解過程均通過APDL語言實現。若需要其他類型載荷或加載方式，需打開已建立的有限元模型通過手動加載求解。

2 用戶界面創建

為進一步提高參數化程度，本文采用VC++6.0基于對話框的MFC應用程序開發了一套人機交互界面。首先啟動系統程序，進入文件設置界面(如圖2所示)。通過該界面設置文件名及保存路徑，并為“下一步”按鈕添加響應事件，使系統保存設置并進入具體的參數設置界面。本文設立的參數設置界面主要包括材料屬性設置界面(如圖3所示)、刀盤基體參數界面、滾刀參數設置界面(如圖4所示)、肋板參數界面、網格尺寸界面及載荷設置界面(如圖5所示)等。用戶通過這些參數設置界面輸入相應參數，這些參數又被賦予特定的參數名，并生成以.mac為擴展名的文本文件，以備作為宏命令在APDL建模代碼中直接調用。由此實現界面輸入參數與建模代碼之間的參數傳遞。參數輸入完畢后，為界面添加相應響應函數，對已輸入參數的合理性進行檢驗。若出現數據相悖則需返回，并重新設置數據。若數據檢驗通過則進入載荷設置界面，輸入載荷參數并運行ANSYS，以創建有限元模型并求解。ANSYS執行完畢后，輸出結果文件并返回運行結束消息窗。上述程序流程如圖6所示。

圖2 文件設置界面Fig.2 Interface of file setting

圖3 材料屬性設置界面Fig.3 Interface of material property setting

圖4 滾刀參數設置界面Fig.4 Interface of parameter setting of disc cutter

圖5 載荷設置界面Fig.5 Interface of load setting

圖6 系統運行流程Fig.6 Running flowchart of the system

3 參數宏文件生成及全局變量設定

在每個對話框中，點擊“下一步”可將本界面輸入的參數生成宏文件并彈出下一對話框。C++提供了多種方法來實現文本文件的寫操作，本文采用其中的ofstream類來實現這一功能。編寫代碼時，寫入宏文件的內容應嚴格按照APDL語言要求的格式編寫，這樣才能實現參數文件與APDL命令流程序的無縫連接。彈出“下一步”對話框功能使用窗口類的成員函數DoModal()來實現。以文件設置對話框為例，為其“下一步”按鈕的單擊事件添加如下代碼即可實現這一功能:

void CFilePath::OnNextstep()

{UpdateData(TRUE);//將界面控件中顯示的值復制給成員變量

ofstream fout("fileset.mac");//以輸出方式打開文件fileset.mac，若目錄中不存在則自動創建

fout＜ ＜"fpath=＇" ＜ ＜m_path＜ ＜"＇" ＜ ＜" ";//在文件中寫入“fpath=…”，m_path為圖2界面上的文件路徑

fout＜ ＜"fname=＇" ＜ ＜m_fname＜ ＜"＇" ＜ ＜" ";//在文件中寫入“fname=…”，m_fname為圖2界面上的文件名

fout＜ ＜flush; fout.close(); //回寫文件緩沖，保存并關閉文件

CMat dlg;dlg.DoModal();//定義 CMat類變量dlg，并調用CMat類對話框

CDialog::OnOK();}//關閉對話框

此外，系統開發過程中還會遇到某對話框程序使用其他對話框類變量的情形。由于每個對話框所設定的控件變量均為局部變量，所屬對話框類外并不能直接訪問。因此，須將這些變量設置為全局變量。由于本文只涉及類外變量的使用，不涉及對其變量值的改動，所以并未直接將這些控件變量設定為全局變量，而是另外設定一系列全局變量，將需要外部訪問的控件變量賦以全局變量，從而間接實現對其他類變量的訪問。為此，程序中添加了一個沒有基類的新類CGlb，在該類中定義所需的全局變量，均使用static修飾，并在類外進行變量初始化。例如，在模型創建對話框中涉及到對文件路徑及模型文件名的訪問，可針對路徑及文件名這2個控件變量設定2個相應的全局變量，在CGlb.h文件中添加如下代碼:

class CGlb

{public:

CGlb();//構造函數聲明

virtual～CGlb();//析構函數聲明

public:

static CString g_fpath;//聲明靜態數據變量，字符串類變量g_fpath

static CString g_fname;};//聲明靜態數據變量，字符串類變量g_fname

在CGlb.cpp文件中添加如下代碼:

CGlb::CGlb(){}//定義構造函數

CGlb::～CGlb(){}//定義析構函數

CString CGlb::g_fpath;//初始化CGlb類變量g_fpath

CString CGlb::g_fname;//初始化CGlb類變量g_fname

并在文件設置對話框的“下一步”按鈕的響應事件中添加如下代碼:

CGlb::g_fpath=m_path;//將m_path變量值賦予全局變量g_fpath

CGlb::g_fname=m_fname;//將 m_fname變量值賦予全局變量g_fname

這樣即可實現在文件設置對話框類外對文件路徑及文件名的訪問。

4 實例檢驗

為檢驗本文所開發系統的有效性和可靠性，以某型號直徑4 m TBM刀盤為例進行了模型構建和靜力分析。該刀盤材料為Q345，彈性模量為206 GPa，泊松比為0.28，材料密度為7 800 kg/m3。刀圈材料為AISI4340鋼，其屈服極限為835 MPa，滾刀直徑為432 mm(17″)。刀盤上共有2把雙刃滾刀，9把正滾刀，8把邊滾刀，中心滾刀刃數為4，另外還有4把刮刀。其他控制參數按設計圖紙要求通過界面輸入。考慮極限承載情況，總推力載荷為 6 250 kN，扭矩為 960 kN·m。各項參數輸入完畢后，運行ANSYS以建立刀盤模型。其實體模型如圖7(a)所示，與設計模型保持較高一致性。劃分網格后的有限元模型如圖7(b)所示，共有單元254 462個，節點數為89 650個。圖8(a)為刀盤系統的Von－Mises應力分布圖，最大應力659.2 MPa，發生在圖8(a)所標示的邊滾刀圈頂部。刀盤面板上的應力普遍小于滾刀上的應力，均處在100 MPa以下。因此整體結構滿足強度要求。圖8(b)為軸向變形圖，最大變形僅為0.32 mm，約為刀盤直徑的0.08‰。這些信息對于認識刀盤的受力情況，從而改進刀盤系統設計具有一定的參考價值。

圖7 刀盤有限元模型Fig.7 Finite element model of cutter-head

圖8 計算結果云圖Fig.8 Contour of calculation results

5 結論與討論

通過應用APDL，結合Visual C++的可視化編程技術，開發了一套可視性良好的TBM刀盤有限元參數化建模分析系統。該系統可完成對TBM刀盤系統的參數化建模及有限元靜力計算，從而為設計和研究人員減輕模型構建的工作量，顯著提高工作效率，縮短結構分析和設計周期。但本系統未能加入刀具布置方法的計算，使用者需根據實際施工環境選擇合適布刀方式，獲得各刀具坐標之后再進行建模。因此，若能將刀具布置方法加入本系統，將會為刀盤設計提供更大便利，這將作為下一步研究的重點。

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