盾構(gòu)刀盤參數(shù)化有限元分析模型的自動構(gòu)建

梁 鈴 田懷文 張明堯

（西南交通大學(xué)機(jī)械工程學(xué)院 成都 610031）

1 引言

隨著社會經(jīng)濟(jì)的發(fā)展，人們對基礎(chǔ)設(shè)施的需求逐漸增大，盾構(gòu)機(jī)作為一種先進(jìn)的隧道施工機(jī)械，在鐵路、地鐵、高速路等交通設(shè)施工程中應(yīng)用越加廣泛，盾構(gòu)刀盤是盾構(gòu)機(jī)掘進(jìn)施工的關(guān)鍵部件，其發(fā)揮著至關(guān)重要的作用。由于地質(zhì)條件千差萬別，在刀盤模型的創(chuàng)建階段需針對不同的地質(zhì)條件進(jìn)行結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)和優(yōu)化，同時刀盤結(jié)構(gòu)本身固有的復(fù)雜屬性，導(dǎo)致研發(fā)設(shè)計(jì)的過程十分緩慢。因此，進(jìn)一步縮短盾構(gòu)刀盤的設(shè)計(jì)優(yōu)化周期就十分重要。

傳統(tǒng)的盾構(gòu)刀盤設(shè)計(jì)主要是針對不同的地質(zhì)條件選擇刀盤結(jié)構(gòu)類型，根據(jù)現(xiàn)場工況設(shè)計(jì)并創(chuàng)建三維模型，通過分析其受力情況對模型進(jìn)行簡化，最后對其進(jìn)行有限元分析，從而實(shí)現(xiàn)模型結(jié)構(gòu)的優(yōu)化，整個刀盤結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)過程都需要人為操作干預(yù)，耗費(fèi)大量的勞力和項(xiàng)目時間。因此，科研人員從不同角度提出了相應(yīng)的改進(jìn)方法。夏毅敏等［1］為施工過程中的刀盤方案選型決策提出了新的便捷方法，并通過實(shí)例驗(yàn)證了其合理性和有效性；Rostami等［2］提出了針對硬巖環(huán)境下隧道掘進(jìn)機(jī)刀盤設(shè)計(jì)的優(yōu)化方法，使刀盤的結(jié)構(gòu)得到了進(jìn)一步的改善。這類措施主要是在刀盤結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)方面做出了改進(jìn)。為模型在優(yōu)化過程中取得更高的效率，曹偉娟［3］介紹了細(xì)節(jié)抑制、降維、模型幾何結(jié)構(gòu)簡化與刀盤整體結(jié)構(gòu)性能的影響，并評估了這項(xiàng)研究的進(jìn)展成果，為后期簡化模型的研究提供了相關(guān)的理論支持；Kwon等［4］提出了特征形狀復(fù)雜度的概念，并通過編程實(shí)現(xiàn)了復(fù)雜結(jié)構(gòu)力學(xué)性能的簡化。雖然以上研究實(shí)現(xiàn)了刀盤結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)與模型簡化，并提供了一系列的理論知識，但仍存在一些缺陷：1）盾構(gòu)刀盤參數(shù)化模型仍需通過人工干預(yù)實(shí)現(xiàn)模型的簡化；2）有限元分析模型自動構(gòu)建的功能尚未實(shí)現(xiàn)。

針對這個問題，本文研究了有限元分析模型自動構(gòu)建的方法，其在盾構(gòu)刀盤參數(shù)化設(shè)計(jì)系統(tǒng)的基礎(chǔ)上，以SolidWorks和ANSYS為設(shè)計(jì)平臺，Visual Studio為開發(fā)環(huán)境，C#為編程語言，實(shí)現(xiàn)了以下功能：1）盾構(gòu)刀盤參數(shù)化模型的自動簡化；2）盾構(gòu)刀盤有限元分析模型的自動構(gòu)建。

2 系統(tǒng)框架

2.1 系統(tǒng)框架基礎(chǔ)

有限元模型自動構(gòu)建系統(tǒng)的框架如圖1所示，采用SolidWorks2014、ANSYS145及MySQL5.6為開發(fā)平臺，Visual Studio2010為開發(fā)工具，具體實(shí)現(xiàn)步驟如下：

1）使用MySQL建立零部件的標(biāo)準(zhǔn)件庫，并儲存零部件的特征及參數(shù)；

2）在Visual Studio2010中采用面向?qū)ο蟮某绦蛘Z言C#進(jìn)行設(shè)計(jì)，實(shí)現(xiàn)SolidWorks和ANSYS的二次開發(fā)，以及零件的選取和參數(shù)的修改等功能；

3）當(dāng)獲得確定的三維模型后，采用C#編程語言對SolidWorks中API函數(shù)特定對象、屬性、方法進(jìn)行調(diào)用，完成三維模型的簡化；

4）在開發(fā)設(shè)計(jì)時ANSYS無法提供通用程序接口和API函數(shù)，其主要采用APDL語言作為二次開發(fā)語言，并編寫命令流文件。為此，本文利用C#語言實(shí)現(xiàn)ANSYS命令流的后臺運(yùn)行，完成有限元分析模型的生成及顯示。

2.2 系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)功能模塊

系統(tǒng)的主要功能由盾構(gòu)刀盤結(jié)構(gòu)的參數(shù)化設(shè)計(jì)及其有限元分析模型的自動構(gòu)建兩部分構(gòu)成。按照系統(tǒng)各部分功能的不同，各模塊結(jié)構(gòu)示意圖如圖2所示。

圖1 有限元模型自動構(gòu)建系統(tǒng)框架

圖2 有限元分析模型自動構(gòu)建系統(tǒng)功能模塊

2.3 盾構(gòu)刀盤參數(shù)化設(shè)計(jì)

盾構(gòu)刀盤參數(shù)化設(shè)計(jì)主要是由參數(shù)輸入及數(shù)據(jù)庫的建立、結(jié)構(gòu)形式的選取、零部件的選擇及設(shè)計(jì)、模型的示意圖四個部分構(gòu)成。參數(shù)化設(shè)計(jì)的流程如圖3所示，主要包括參數(shù)的輸入、刀盤結(jié)構(gòu)與開口基本形式的選擇、結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)及開口率的檢驗(yàn)校核、刀具的選擇布置及設(shè)計(jì)安裝、刀盤支撐及輔助構(gòu)件的設(shè)計(jì)安裝，最后對設(shè)計(jì)出的刀盤進(jìn)行有限元分析，輸出合理的盾構(gòu)刀盤三維模型。盾構(gòu)刀盤有限元分析模型自動構(gòu)建系統(tǒng)運(yùn)行界面如圖4所示。

3 有限元分析模型的自動構(gòu)建

現(xiàn)在主流的有限元分析模型生成方式是通過手動實(shí)現(xiàn)模型簡化并將其導(dǎo)入有限元分析軟件中，最后生成有限元分析模型（其流程圖如圖5（a）所示），基于盾構(gòu)刀盤參數(shù)化設(shè)計(jì)項(xiàng)目，其結(jié)構(gòu)參數(shù)會因?yàn)榭蛻粜枨蟛粩嗟匕l(fā)生變化，這時改變的模型也需要不斷地進(jìn)行簡化、導(dǎo)入，若使用手動簡化模型和導(dǎo)入模型將會耗費(fèi)大量的時長，而且在簡化過程中也做不到細(xì)致入微；同時，如果在ANSYS有限元分析軟件中重新建立參數(shù)化的有限元分析模型（其流程圖如圖5（b）所示），其建模過程不僅繁瑣重復(fù)，而且與參數(shù)化設(shè)計(jì)形成了兩套不同的系統(tǒng)，無法達(dá)到建模仿真一體化的效果。因此，針對盾構(gòu)刀盤參數(shù)化設(shè)計(jì)這個項(xiàng)目特別提出了下面的研究思路。

圖3 參數(shù)化設(shè)計(jì)流程

圖4 有限元分析模型自動構(gòu)建系統(tǒng)運(yùn)行界面

圖5 生成有限元分析模型不同方法的對比

盾構(gòu)刀盤有限元分析模型的自動構(gòu)建主要是由模型簡化、模型評價、生成有限元分析模型三個小模塊實(shí)現(xiàn)的。如圖5（c）所示為自動構(gòu)建盾構(gòu)刀盤有限元分析模型的流程圖，通過編程自動實(shí)現(xiàn)模型的簡化、評價及導(dǎo)入，與圖5（a）、（b）對比可節(jié)約大量手動簡化及重新建模的時間。

3.1 模型簡化及評價

盾構(gòu)刀盤模型進(jìn)行有限元分析優(yōu)化時，由于結(jié)構(gòu)極其復(fù)雜，直接將幾何模型導(dǎo)入有限元分析軟件中，可能出現(xiàn)結(jié)構(gòu)不穩(wěn)定的情況，同時網(wǎng)格劃分也較為復(fù)雜，對結(jié)果精度影響較大，而且系統(tǒng)的計(jì)算量也十分巨大，加載處理速度慢，硬件資源也不能滿足需求。因此為提高產(chǎn)品研發(fā)的效率，通常對盾構(gòu)刀盤的模型進(jìn)行簡化處理，并且要滿足兩個原則：第一，盡可能反映盾構(gòu)刀盤結(jié)構(gòu)主要的力學(xué)特征；第二，盡量簡化幾何模型，使數(shù)值分析模型采用的單元盡可能的少且形狀簡單。根據(jù)上述兩個原則，對盾構(gòu)刀盤進(jìn)行簡化處理［5］：1）刪除對分析結(jié)構(gòu)影響不大的細(xì)節(jié)特征；2）刪除對分析結(jié)果影響不大的構(gòu)件；3）刪除所有的刀具及其刀座；4）不考慮刀盤焊接處材料特性的變化，認(rèn)為焊接時符合要求的。

模型簡化旨在找出對結(jié)果影響不大的構(gòu)件及特征進(jìn)行刪除。通過零件特征數(shù)據(jù)庫篩選出裝配體上對分析結(jié)果影響不大的構(gòu)件及特征，并使用SolidWorks API中的SelectByID2函數(shù)分別選擇這些構(gòu)件和特征，然后通過SolidWorks API中的Edit?Delete函數(shù)對選定的構(gòu)件和特征進(jìn)行刪除。用戶可自行指定細(xì)小特征抑制的范圍，以保證模型簡化的準(zhǔn)確性與可靠性，其交互界面如圖6所示，通過其與零件特征數(shù)據(jù)庫連接，當(dāng)用戶輸入需要抑制的特征范圍，系統(tǒng)即可篩選出需要的特征，并對其進(jìn)行刪除。圖7（a）為安裝法蘭盤的幾何模型即模型簡化前的視圖，圖7（b）為模型簡化后的效果圖。可見簡化效果非常明顯，模型在簡化后螺紋孔、間隙孔以及倒圓角特征都得到了抑制。

圖6 細(xì)小特征范圍指定運(yùn)行界面

圖7 模型簡化前后視圖

模型評價主要包括干涉檢查和力學(xué)評價。干涉檢查主要是為了查找模型在自動簡化時是否有零件發(fā)生了運(yùn)動或者交集，是否影響模型的整體設(shè)計(jì)，避免簡化后的模型在導(dǎo)入有限元分析軟件中發(fā)生未知錯誤或模型不穩(wěn)定的現(xiàn)象，使用SolidWorks API中的ToolsCheckInterference函數(shù)對整個裝配體進(jìn)行干涉檢查，若模型滿足要求則自動生成有限元分析模型，否則對模型進(jìn)行調(diào)整。力學(xué)評價是指簡化后的模型能否反應(yīng)刀盤結(jié)構(gòu)的力學(xué)特征，若存在力的丟失則應(yīng)將其轉(zhuǎn)化為等效的壓力并作用于原本力所在的區(qū)域，避免力的缺失導(dǎo)致有限元分析結(jié)果存在巨大的誤差，使用ANSYS APDL中的“F”命令在缺失的力所在區(qū)域施加等效的壓力，使簡化后的模型滿足力學(xué)平衡。

3.2 生成有限元分析模型

自動生成有限元分析模型的首要任務(wù)是建立Solid Works與ANSYS之間的接口，實(shí)現(xiàn)簡化后的模型自動完成輸出與導(dǎo)入的過程，并進(jìn)行網(wǎng)格劃分生成單元和節(jié)點(diǎn)。其主要步驟及實(shí)現(xiàn)方法如下。

1）通過SolidWorks API中的SaveAs函數(shù)將簡化后的模型輸出為X_T文件以便在ANSYS 145中打開；

2）通過C#中的startinfo.FileName函數(shù)指定調(diào)用的進(jìn)程名稱，即ANSYS145軟件；

3）通過C#中的startinfo.Arguments函數(shù)設(shè)定程序執(zhí)行參數(shù)。參數(shù)命令為“-b-p ane3fl-j工作文件名稱-i輸入文件-o輸出文件”，其中-b表示采用ANSYS Batch模式，-p表示指定license，ane3fl表示采用的license為ANSYS Multiphysics，-j表示工作文件的名稱，-i表示輸入的文件，-o表示輸出的文件；

4）通過C#的startinfo.WorkingDirectory函數(shù)指定程序的工作目錄；

5）通過C#中的Process.Start（）函數(shù)進(jìn)行后臺批處理，完成模型的自動構(gòu)建；

6）通過APDL中的VMESH命令對模型進(jìn)行網(wǎng)格劃分，生成有限元分析模型。

4 有限元分析模型自動構(gòu)建實(shí)例

本文以工作于砂卵石地層、直徑為6280mm的盾構(gòu)刀盤為例。如圖8所示，其結(jié)構(gòu)主要是以焊接為主（不考慮刀盤焊接處材料特性的變化）。由于此盾構(gòu)刀盤為參數(shù)化模型，當(dāng)直徑變小時，刀具的數(shù)量也會隨之變少，其結(jié)構(gòu)大小也會發(fā)生變化，反之則反，因此選擇使用較為廣泛的直徑為6280mm的盾構(gòu)刀盤為例生成有限元分析模型。

對患兒家長進(jìn)行健康教育，指導(dǎo)其幫助患兒調(diào)整生活習(xí)慣，如飲用液體、進(jìn)食水果應(yīng)安排在下午之前，在晚睡前3 h內(nèi)無飲水，晚餐亦須與睡眠間隔3 h以上，飲食易清淡、易于消化，在睡前注意排空膀胱等。在此基礎(chǔ)上，給予醋酸去氨加壓素片（規(guī)格為0.1 mg/片）0.1 mg～0.2 mg，于每晚睡前1 h口服。共治療3個月。

圖8 6280mm盾構(gòu)機(jī)刀盤

根據(jù)簡化規(guī)則篩選出零件特征數(shù)據(jù)庫中對分析結(jié)果影響不大的構(gòu)件和細(xì)節(jié)特征，如各種刀具、管路、攪拌棒、倒圓角、螺栓孔、開口槽等，并刪除構(gòu)件抑制特征。本例中需刪除小于等于60mm的倒圓角特征以及小于等于320mm的孔特征，如圖9所示為零件特征數(shù)據(jù)庫。

圖9 零件特征數(shù)據(jù)庫

為減少系統(tǒng)的計(jì)算量，提高產(chǎn)品的研發(fā)效率，需刪除此模型上所有的刀具及其刀座。由于盾構(gòu)機(jī)在掘進(jìn)過程中，刀具受力是十分重要的部分，因此刪除刀具及刀座后需對模型進(jìn)行力學(xué)等效評價。為滿足力學(xué)平衡，將刀具的受力轉(zhuǎn)變?yōu)榈刃У膲毫Γ⒆饔糜诘蹲c構(gòu)件的接觸區(qū)域。主要的刀具類型有以下兩種：

1）耐磨條、耐磨網(wǎng)與保徑刀 刀盤作圓周運(yùn)動時，四周的耐磨條、耐磨網(wǎng)與保徑刀會產(chǎn)生力，當(dāng)?shù)毒弑粍h除后需將其轉(zhuǎn)換為受力點(diǎn)并作用于刀具原來與構(gòu)件的接觸點(diǎn)。

2）切刀、撕裂刀與魚尾刀 盾構(gòu)機(jī)沿垂直于開挖掌子面的方向向前推進(jìn)，切刀在切削的過程中會產(chǎn)生力，同時撕裂刀與魚尾刀也會受到開挖掌子面給予的力，當(dāng)?shù)毒弑粍h除后需在刀具原來的受力點(diǎn)處施加等效的力。

轉(zhuǎn)換后的刀具受力等效示意圖如圖10所示（其中小黑圓點(diǎn)代表切刀、撕裂刀與魚尾刀的受力點(diǎn)，箭頭符號代表耐磨條、耐磨網(wǎng)與保徑刀的受力點(diǎn)），刪除刀具及其刀座的部分程序代碼如下：

boolstatus=swDoc.Extension.SelectByID2（“刮刀@裝配體2”，“COMPONENT”，0，0，0，true，0，null，0）；//選擇刮刀

boolstatus=swDoc.Extension.SelectByID2（“刮刀座@裝配體2”，“COMPONENT”，0，0，0，false，0，null，0）；

boolstatus=swDoc.Extension.SelectByID2（“撕裂刀@裝配體2”，“COMPONENT”，0，0，0，false，0，null，0）；

boolstatus=swDoc.Extension.SelectByID2（“耐磨塊@裝配體2”，“COMPONENT”，0，0，0，false，0，null，0）；

swDoc.EditDelete（）；//刪除以上選擇

圖10 刀具受力等效示意圖

有限元分析模型自動生成的實(shí)現(xiàn)方法是通過C#編程語言調(diào)用有限元分析軟件ANSYS執(zhí)行AP?DL命令流進(jìn)行批處理，其中APDL語言是ANSYS軟件自帶的二次開發(fā)語言，調(diào)用的程序代碼如下：

startinfo.FileName=“E：/ansys/ANSYSInc/v145/ansys/bin/winx64/ANSYS145.exe”；//找到A

NSYS145軟件的路徑。

startinfo.Arguments="-b-p ane3fl-j jianh

ua-i jianhua1.txt-o jh.log"；//設(shè)定工作文件的名稱為jianhua，輸入的命令流文件為jianhua1.txt，輸出的文件為jh.log。

startinfo.WorkingDirectory=“C：/Users/lh/D-esktop”；//程序的工作路徑在Desktop里。

其中將APDL語言寫入jianhua.txt文件中，其主要的代碼如下：

/BATCH ！批處理模式

/GRA，POWER ！打開PowerGraph圖形顯示模式

WPSTYLE，，，，，，，，0 ！顯示工作平面

～PARAIN，‘zhuangpei’，‘x_t’，，SOLIDS，0，0

！輸入實(shí)現(xiàn)保存的“zhu

angpei.x_t”文件

/FACET，NORML ！由面生成體

ET，1，SOLID187 ！從單元庫中定義SO

LID187單元

VATT，，，1，0 ！網(wǎng)格劃分的單元設(shè)置為 SOL?ID187

VMESH，ALL ！對整個模型進(jìn)行網(wǎng)格劃分

盾構(gòu)刀盤有限元分析模型的自動構(gòu)建系統(tǒng)是通過模型的自動簡化和ANSYS、SolidWorks之間通用化的自動接口技術(shù)實(shí)現(xiàn)的，其不僅能在AN?SYS145軟件中正確顯示，簡化后的模型也基本滿足有限元分析的要求。由于刀盤結(jié)構(gòu)非常復(fù)雜，因此采用四面體單元SOLID187進(jìn)行自由網(wǎng)格劃分，劃分精度設(shè)定為7，劃分后的單元總數(shù)為175375個，節(jié)點(diǎn)總數(shù)為380401個。網(wǎng)格劃分后每個單元的質(zhì)量檢測結(jié)果如表1所示，其指標(biāo)主要有Aspect Ratio（長寬比）、Maximum Angle（單元的最大內(nèi)角）、Jacobian Ratio（雅各比）等，其中，長寬比是指單元最長邊和最短邊的比值，通過該表可以直觀地看出各個質(zhì)量檢查指標(biāo)只出現(xiàn)了少許的警告信息，為后期模型分析的準(zhǔn)確性奠定了基礎(chǔ)。如圖11所示為自動生成的有限元分析模型。

表1 網(wǎng)格質(zhì)量檢查

圖11 有限元分析模型

5 結(jié)語

本文主要研究盾構(gòu)刀盤有限元分析模型自動構(gòu)建的系統(tǒng)。當(dāng)用戶輸入的幾何模型參數(shù)發(fā)生變化時，系統(tǒng)自動對模型進(jìn)行簡化，并在ANSYS145軟件中生成有限元分析模型，最終實(shí)現(xiàn)參數(shù)化設(shè)計(jì)與有限元分析一體化的功能。此系統(tǒng)生成有限元分析模型的效果與手動生成的效果相差無幾，但其擺脫了傳統(tǒng)手動簡化幾何模型的方法，增添了SolidWorks與ANSYS之間通用化的自動接口，有效地提高了有限元分析模型生成的效率，縮短了產(chǎn)品研發(fā)的周期，達(dá)到了設(shè)計(jì)過程中高效、方便、簡潔的效果。