TBM刀盤的有限元參數(shù)化建模系統(tǒng)開發(fā)

潘伶伶，焦永樹，蔡宗熙

(1.河北工業(yè)大學(xué)機(jī)械工程學(xué)院，天津 300130;2.天津大學(xué)力學(xué)系，天津 300072)

0 引言

TBM(Tunnel Boring Machine全斷面硬巖隧道掘進(jìn)機(jī))作為巖石隧道開挖的專用機(jī)械，以其自動(dòng)化程度高、人力耗費(fèi)少、施工速度快及隧洞成形規(guī)則等優(yōu)點(diǎn)，在隧道工程中已得到廣泛應(yīng)用。刀盤是TBM中的關(guān)鍵部件，對(duì)TBM的掘進(jìn)性能起著至關(guān)重要的作用。因此，深入研究刀盤的靜、動(dòng)力工作特性，對(duì)提高掘進(jìn)效率、降低施工成本具有重要意義。近年來，很多學(xué)者對(duì)TBM刀盤的破巖機(jī)制和與設(shè)計(jì)制造相關(guān)的技術(shù)問題進(jìn)行了一些研究，并取得了一些有實(shí)用價(jià)值的成果，如:張厚美［1］、夏毅敏等［2］、馬泳濤等［3］對(duì) TBM 刀盤破巖的力學(xué)性能進(jìn)行了理論和數(shù)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(biāo)遺傳算法，對(duì)TBM刀盤的主要結(jié)構(gòu)參數(shù)進(jìn)行了優(yōu)化設(shè)計(jì);翟國強(qiáng)等［7］探討了刀盤的進(jìn)出渣結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)問題;桑松嶺［8］通過改變支撐筋布置方式對(duì)TBM刀盤進(jìn)行了優(yōu)化設(shè)計(jì)。

在上述研究中，對(duì)刀盤系統(tǒng)進(jìn)行有限元分析是對(duì)其結(jié)構(gòu)進(jìn)行設(shè)計(jì)和優(yōu)化的必要前提。而對(duì)于TBM刀盤這類極為復(fù)雜的結(jié)構(gòu)，有限元模型的建立往往要花費(fèi)大量的時(shí)間和精力。同時(shí)，由于刀盤系統(tǒng)的設(shè)計(jì)需要滿足作業(yè)地段的地質(zhì)條件和施工要求，屬非標(biāo)準(zhǔn)定制設(shè)計(jì)，其設(shè)計(jì)模型的可復(fù)制性較差。此外，由于不同軟件在數(shù)據(jù)處理精度上存在一定差異，由專業(yè)建模軟件(如SolidWorks、Pro/E等)所建立的模型在導(dǎo)入有限元軟件過程中往往會(huì)出現(xiàn)幾何元素丟失或交叉等問題，而這些問題的修正也是一項(xiàng)耗時(shí)、費(fèi)力的工作。若能實(shí)現(xiàn)有限元參數(shù)化建模，可顯著減少模型構(gòu)建工作量，極大縮短設(shè)計(jì)周期。目前，已有多位學(xué)者采用參數(shù)化建模技術(shù)，對(duì)類似復(fù)雜結(jié)構(gòu)的有限元模型實(shí)現(xiàn)了參數(shù)化構(gòu)建，如:劉東［9］、莫江濤等［10］、薛龍泉等［11］將 VC++ 與 ANSYS結(jié)合，實(shí)現(xiàn)了針對(duì)自升式海洋平臺(tái)樁腿及樁靴、工程中常見的螺旋結(jié)構(gòu)、汽車發(fā)動(dòng)機(jī)曲軸等結(jié)構(gòu)的參數(shù)化建模;韓偉峰等［12］應(yīng)用 VB 與 CATIA 和 ANSYS結(jié)合，陳昊［13］采用C++Builder與ANSYS結(jié)合，實(shí)現(xiàn)了用于軟土或復(fù)合地層盾構(gòu)刀盤的參數(shù)化建模與有限元分析。截至目前，對(duì)應(yīng)用于硬巖地層的TBM刀盤系統(tǒng)的有限元參數(shù)化建模，還未見文獻(xiàn)報(bào)道。本文結(jié)合VC++與ANSYS，開發(fā)了適用于TBM刀盤的有限元參數(shù)化建模系統(tǒng)。

1 基于APDL的模型創(chuàng)建

TBM刀盤系統(tǒng)各部分細(xì)部結(jié)構(gòu)相當(dāng)復(fù)雜，對(duì)實(shí)際結(jié)構(gòu)進(jìn)行精確有限元分析是非常困難的。因此，需要在不改變結(jié)構(gòu)形態(tài)和特征尺寸的前提下，對(duì)實(shí)際模型進(jìn)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(xì)小結(jié)構(gòu);2)簡化刀座內(nèi)部結(jié)構(gòu)，以中空塊體代替;3)將滾刀看成一整體，忽略其內(nèi)部軸承、密封圈等細(xì)部結(jié)構(gòu)。

在模型簡化的基礎(chǔ)上，還需選取描述模型結(jié)構(gòu)特征和尺寸的控制參數(shù)。這些控制參數(shù)應(yīng)具有獨(dú)立性和相容性。獨(dú)立性是指這些參數(shù)不僅不能彼此替代，亦不能通過特定的幾何或物理關(guān)系相互導(dǎo)出;相容性是指這些參數(shù)本身以及由這些參數(shù)衍生出來的細(xì)部結(jié)構(gòu)參數(shù)，不能出現(xiàn)尺寸沖突。在詳細(xì)分析了簡化后的TBM刀盤系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)特征后，本文設(shè)置了51個(gè)可變參數(shù)，其中:結(jié)構(gòu)特征參數(shù)7個(gè)，包括肋板數(shù)目、滾刀型號(hào)及各類刀具數(shù)目等;結(jié)構(gòu)尺寸參數(shù)40個(gè)，包括刀盤面板半徑、前面板厚度及各刀具位置坐標(biāo)等;網(wǎng)格尺寸參數(shù)4個(gè)，包括刀盤基體網(wǎng)格尺寸，滾刀刀體、刀箱網(wǎng)格尺寸以及其他網(wǎng)格尺寸等。

根據(jù)選取的模型控制參數(shù)，再按照實(shí)際需要設(shè)定一系列中間變量，應(yīng)用ANSYS提供的APDL參數(shù)化設(shè)計(jì)語言，編制刀盤系統(tǒng)模型創(chuàng)建的命令流程序代碼作為參數(shù)化建模程序。

刀盤整體結(jié)構(gòu)可以分為刀盤基體和刀具2模塊，其創(chuàng)建過程可以按照如下順序來完成，即:刀盤基體創(chuàng)建、刀具創(chuàng)建和刀具與刀盤基體裝配。首先，根據(jù)給定的刀盤面板、垂直及傾斜筋板、肋板及后座結(jié)構(gòu)等尺寸，創(chuàng)建原始刀盤基體模型。此部分主要采用VROTA(面旋轉(zhuǎn)成體)及CYLIND(生成柱體)等命令實(shí)現(xiàn)。為便于后續(xù)的裝配，需要在原始刀盤基體的刀具相應(yīng)位置(由徑向和環(huán)向坐標(biāo)確定)處切孔，此部分主要利用DO－LOOP循環(huán)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(tǒng)中的刀具以滾刀為主，滾刀在此細(xì)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(shí)現(xiàn)。單刃滾刀均按寬型滾刀創(chuàng)建，中心滾刀、多刃滾刀均由窄型滾刀按刀刃數(shù)目復(fù)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(biāo)定位參數(shù)，將各刀具置于刀盤基體相應(yīng)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(wǎng)格劃分，在建模過程中已添加相應(yīng)程序?qū)δＰ瓦M(jìn)行了一系列切割調(diào)整等操作。

圖1 建模過程模型圖Fig.1 Modeling process

模型創(chuàng)建完畢后，對(duì)加載求解程序也進(jìn)行了相應(yīng)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(shí)現(xiàn)。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(dòng)加載求解。

2 用戶界面創(chuàng)建

為進(jìn)一步提高參數(shù)化程度，本文采用VC++6.0基于對(duì)話框的MFC應(yīng)用程序開發(fā)了一套人機(jī)交互界面。首先啟動(dòng)系統(tǒng)程序，進(jìn)入文件設(shè)置界面(如圖2所示)。通過該界面設(shè)置文件名及保存路徑，并為“下一步”按鈕添加響應(yīng)事件，使系統(tǒng)保存設(shè)置并進(jìn)入具體的參數(shù)設(shè)置界面。本文設(shè)立的參數(shù)設(shè)置界面主要包括材料屬性設(shè)置界面(如圖3所示)、刀盤基體參數(shù)界面、滾刀參數(shù)設(shè)置界面(如圖4所示)、肋板參數(shù)界面、網(wǎng)格尺寸界面及載荷設(shè)置界面(如圖5所示)等。用戶通過這些參數(shù)設(shè)置界面輸入相應(yīng)參數(shù)，這些參數(shù)又被賦予特定的參數(shù)名，并生成以.mac為擴(kuò)展名的文本文件，以備作為宏命令在APDL建模代碼中直接調(diào)用。由此實(shí)現(xiàn)界面輸入?yún)?shù)與建模代碼之間的參數(shù)傳遞。參數(shù)輸入完畢后，為界面添加相應(yīng)響應(yīng)函數(shù)，對(duì)已輸入?yún)?shù)的合理性進(jìn)行檢驗(yàn)。若出現(xiàn)數(shù)據(jù)相悖則需返回，并重新設(shè)置數(shù)據(jù)。若數(shù)據(jù)檢驗(yàn)通過則進(jìn)入載荷設(shè)置界面，輸入載荷參數(shù)并運(yùn)行ANSYS，以創(chuàng)建有限元模型并求解。ANSYS執(zhí)行完畢后，輸出結(jié)果文件并返回運(yùn)行結(jié)束消息窗。上述程序流程如圖6所示。

圖2 文件設(shè)置界面Fig.2 Interface of file setting

圖3 材料屬性設(shè)置界面Fig.3 Interface of material property setting

圖4 滾刀參數(shù)設(shè)置界面Fig.4 Interface of parameter setting of disc cutter

圖5 載荷設(shè)置界面Fig.5 Interface of load setting

圖6 系統(tǒng)運(yùn)行流程Fig.6 Running flowchart of the system

3 參數(shù)宏文件生成及全局變量設(shè)定

在每個(gè)對(duì)話框中，點(diǎn)擊“下一步”可將本界面輸入的參數(shù)生成宏文件并彈出下一對(duì)話框。C++提供了多種方法來實(shí)現(xiàn)文本文件的寫操作，本文采用其中的ofstream類來實(shí)現(xiàn)這一功能。編寫代碼時(shí)，寫入宏文件的內(nèi)容應(yīng)嚴(yán)格按照APDL語言要求的格式編寫，這樣才能實(shí)現(xiàn)參數(shù)文件與APDL命令流程序的無縫連接。彈出“下一步”對(duì)話框功能使用窗口類的成員函數(shù)DoModal()來實(shí)現(xiàn)。以文件設(shè)置對(duì)話框?yàn)槔?，為其“下一步”按鈕的單擊事件添加如下代碼即可實(shí)現(xiàn)這一功能:

void CFilePath::OnNextstep()

{UpdateData(TRUE);//將界面控件中顯示的值復(fù)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(dòng)創(chuàng)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(guān)閉文件

CMat dlg;dlg.DoModal();//定義 CMat類變量dlg，并調(diào)用CMat類對(duì)話框

CDialog::OnOK();}//關(guān)閉對(duì)話框

此外，系統(tǒng)開發(fā)過程中還會(huì)遇到某對(duì)話框程序使用其他對(duì)話框類變量的情形。由于每個(gè)對(duì)話框所設(shè)定的控件變量均為局部變量，所屬對(duì)話框類外并不能直接訪問。因此，須將這些變量設(shè)置為全局變量。由于本文只涉及類外變量的使用，不涉及對(duì)其變量值的改動(dòng)，所以并未直接將這些控件變量設(shè)定為全局變量，而是另外設(shè)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(shí)現(xiàn)對(duì)其他類變量的訪問。為此，程序中添加了一個(gè)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(jìn)行變量初始化。例如，在模型創(chuàng)建對(duì)話框中涉及到對(duì)文件路徑及模型文件名的訪問，可針對(duì)路徑及文件名這2個(gè)控件變量設(shè)定2個(gè)相應(yīng)的全局變量，在CGlb.h文件中添加如下代碼:

class CGlb

{public:

CGlb();//構(gòu)造函數(shù)聲明

virtual～CGlb();//析構(gòu)函數(shù)聲明

public:

static CString g_fpath;//聲明靜態(tài)數(shù)據(jù)變量，字符串類變量g_fpath

static CString g_fname;};//聲明靜態(tài)數(shù)據(jù)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(gòu)造函數(shù)

CGlb::～CGlb(){}//定義析構(gòu)函數(shù)

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(shè)置對(duì)話框的“下一步”按鈕的響應(yīng)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(shí)現(xiàn)在文件設(shè)置對(duì)話框類外對(duì)文件路徑及文件名的訪問。

4 實(shí)例檢驗(yàn)

為檢驗(yàn)本文所開發(fā)系統(tǒng)的有效性和可靠性，以某型號(hào)直徑4 m TBM刀盤為例進(jìn)行了模型構(gòu)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(shù)為4，另外還有4把刮刀。其他控制參數(shù)按設(shè)計(jì)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(xiàng)參數(shù)輸入完畢后，運(yùn)行ANSYS以建立刀盤模型。其實(shí)體模型如圖7(a)所示，與設(shè)計(jì)模型保持較高一致性。劃分網(wǎng)格后的有限元模型如圖7(b)所示，共有單元254 462個(gè)，節(jié)點(diǎn)數(shù)為89 650個(gè)。圖8(a)為刀盤系統(tǒng)的Von－Mises應(yīng)力分布圖，最大應(yīng)力659.2 MPa，發(fā)生在圖8(a)所標(biāo)示的邊滾刀圈頂部。刀盤面板上的應(yīng)力普遍小于滾刀上的應(yīng)力，均處在100 MPa以下。因此整體結(jié)構(gòu)滿足強(qiáng)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(duì)于認(rèn)識(shí)刀盤的受力情況，從而改進(jìn)刀盤系統(tǒng)設(shè)計(jì)具有一定的參考價(jià)值。

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

圖8 計(jì)算結(jié)果云圖Fig.8 Contour of calculation results

5 結(jié)論與討論

通過應(yīng)用APDL，結(jié)合Visual C++的可視化編程技術(shù)，開發(fā)了一套可視性良好的TBM刀盤有限元參數(shù)化建模分析系統(tǒng)。該系統(tǒng)可完成對(duì)TBM刀盤系統(tǒng)的參數(shù)化建模及有限元靜力計(jì)算，從而為設(shè)計(jì)和研究人員減輕模型構(gòu)建的工作量，顯著提高工作效率，縮短結(jié)構(gòu)分析和設(shè)計(jì)周期。但本系統(tǒng)未能加入刀具布置方法的計(jì)算，使用者需根據(jù)實(shí)際施工環(huán)境選擇合適布刀方式，獲得各刀具坐標(biāo)之后再進(jìn)行建模。因此，若能將刀具布置方法加入本系統(tǒng)，將會(huì)為刀盤設(shè)計(jì)提供更大便利，這將作為下一步研究的重點(diǎn)。

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