TBM機(jī)載錨桿鉆機(jī)擺動(dòng)結(jié)構(gòu)拓?fù)鋬?yōu)化研究

劉曉春

(中鐵十八局集團(tuán)有限公司， 天津 300222)

0 引言

TBM作為一種集多種高新技術(shù)于一體的大型隧道施工設(shè)備，可實(shí)現(xiàn)隧道開(kāi)挖、出渣和支護(hù)一體化施工。錨噴支護(hù)是TBM支護(hù)過(guò)程中最常用的方法之一，圍巖條件不好時(shí)使用需要打錨桿加固圍巖，并輔以鋼筋網(wǎng)、鋼拱架、噴射混凝土等支護(hù)措施，以確保隧道圍巖穩(wěn)定[1]。TBM機(jī)載錨桿鉆機(jī)是TBM支護(hù)過(guò)程中的關(guān)鍵設(shè)備，其性能是決定錨桿支護(hù)效率以及圍巖穩(wěn)定性的關(guān)鍵因素。由于目前TBM機(jī)載錨桿鉆機(jī)部分是基于工程經(jīng)驗(yàn)設(shè)計(jì)的，推進(jìn)梁擺動(dòng)結(jié)構(gòu)作為錨桿鉆機(jī)的關(guān)鍵受力部件，其結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)存在受力分布不合理的現(xiàn)象，因此有必要采用創(chuàng)新性的設(shè)計(jì)方法對(duì)擺動(dòng)結(jié)構(gòu)的薄弱部位進(jìn)行改進(jìn)。

目前，關(guān)于TBM機(jī)載錨桿鉆機(jī)結(jié)構(gòu)方面的研究較少。張君等[2]為錨桿鉆機(jī)設(shè)計(jì)了新型工作臂結(jié)構(gòu)，通過(guò)ADAMS仿真分析了該結(jié)構(gòu)的工作姿態(tài)，并得到了最危險(xiǎn)工況及工作臂各關(guān)鍵部位的受力情況；關(guān)麗杰等[3]建立鉆機(jī)工作裝置的模型，分析了關(guān)鍵部位的受力情況，得出了有限元分析模擬結(jié)果；王建斌[4]分析了錨桿鉆機(jī)鉆架結(jié)構(gòu)的受力情況及變形規(guī)律，并對(duì)鉆架進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)，得到了鉆架在不同工況下的固有頻率及振動(dòng)模型。

結(jié)構(gòu)拓?fù)鋬?yōu)化是一種現(xiàn)代化智能優(yōu)化方法，具有高效且經(jīng)濟(jì)實(shí)用的優(yōu)點(diǎn)，近年來(lái)在機(jī)械設(shè)計(jì)領(lǐng)域得到了推廣應(yīng)用。針對(duì)結(jié)構(gòu)拓?fù)鋬?yōu)化方法，國(guó)內(nèi)外學(xué)者進(jìn)行了一定研究，并取得相應(yīng)成果。拓?fù)鋬?yōu)化概念最初來(lái)源于Michell[5]提出的Michell桁架理論，主要研究離散結(jié)構(gòu)的拓?fù)鋬?yōu)化。連續(xù)體結(jié)構(gòu)拓?fù)鋬?yōu)化發(fā)展的起點(diǎn)是Bends?e等[6]提出了均勻化拓?fù)鋬?yōu)化方法。何雨松等[7]基于有限元拓?fù)鋬?yōu)化法對(duì)某定位平臺(tái)的基座進(jìn)行了結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)，相比優(yōu)化前基座結(jié)構(gòu)的靜態(tài)特性及固有頻率有明顯改善，且質(zhì)量減少了10%。王沙晶等[8]在對(duì)龍門吊結(jié)構(gòu)靜力學(xué)分析的基礎(chǔ)上進(jìn)行了拓?fù)鋬?yōu)化，得到了吊裝結(jié)構(gòu)不同承載方式下的優(yōu)化方案，綜合對(duì)比分析后得到了力學(xué)性能良好的龍門吊優(yōu)化結(jié)構(gòu)。唐華平等[9]建立了典型工況下振動(dòng)給料機(jī)的拓?fù)鋬?yōu)化模型，并利用遺傳算法進(jìn)行結(jié)構(gòu)的多目標(biāo)優(yōu)化，提高了結(jié)構(gòu)的固有頻率。

綜上所述，少有學(xué)者對(duì)TBM機(jī)載錨桿鉆機(jī)的擺動(dòng)結(jié)構(gòu)進(jìn)行研究，更少采用拓?fù)鋬?yōu)化方法對(duì)TBM結(jié)構(gòu)進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)。拓?fù)鋬?yōu)化一般為方案設(shè)計(jì)初期的設(shè)計(jì)手段，對(duì)TBM機(jī)載錨桿鉆機(jī)的擺動(dòng)結(jié)構(gòu)進(jìn)行拓?fù)鋬?yōu)化設(shè)計(jì)，有助于獲得更合理的擺動(dòng)結(jié)構(gòu)形式，提高其力學(xué)性能和穩(wěn)定性。因此，本文針對(duì)TBM機(jī)載錨桿鉆機(jī)的擺動(dòng)結(jié)構(gòu)進(jìn)行研究，依據(jù)結(jié)構(gòu)受力分析結(jié)果，結(jié)合子模型法和拓?fù)鋬?yōu)化理論對(duì)其薄弱部位進(jìn)行拓?fù)鋬?yōu)化設(shè)計(jì)。根據(jù)得到的新型擺動(dòng)結(jié)構(gòu)拓?fù)湫问?，進(jìn)行結(jié)構(gòu)整改，并驗(yàn)證了新結(jié)構(gòu)在動(dòng)靜態(tài)特性方面的優(yōu)越性。該研究實(shí)現(xiàn)了擺動(dòng)結(jié)構(gòu)的智能化設(shè)計(jì)，優(yōu)化了擺動(dòng)結(jié)構(gòu)的動(dòng)態(tài)和靜態(tài)特性，提高了產(chǎn)品性能，以期為TBM其他關(guān)鍵設(shè)備的拓?fù)鋬?yōu)化和智能化設(shè)計(jì)提供參考。

1 TBM機(jī)載錨桿鉆機(jī)結(jié)構(gòu)及工作原理

1.1 總體結(jié)構(gòu)

TBM機(jī)載錨桿鉆機(jī)總體結(jié)構(gòu)如圖1所示。TBM機(jī)載錨桿鉆機(jī)系統(tǒng)由推進(jìn)梁系統(tǒng)和環(huán)形梁系統(tǒng)組成。推進(jìn)梁系統(tǒng)主要包括擺動(dòng)結(jié)構(gòu)、導(dǎo)軌、錨桿鉆機(jī)、推進(jìn)油缸、扶釬器、鉆桿等部件；環(huán)形梁系統(tǒng)主要包括環(huán)形梁齒圈、環(huán)形梁支承架和安裝基座等。

(a) 實(shí)物圖

(b) 示意圖

推進(jìn)梁系統(tǒng)是一個(gè)復(fù)雜的機(jī)械結(jié)構(gòu)系統(tǒng)，其結(jié)構(gòu)如圖2所示。在進(jìn)行鉆孔作業(yè)前，需要通過(guò)環(huán)形梁系統(tǒng)的安裝基座和推進(jìn)梁系統(tǒng)的擺動(dòng)結(jié)構(gòu)進(jìn)行推進(jìn)梁的姿態(tài)調(diào)整。在錨桿鉆機(jī)作業(yè)前，安裝基座帶動(dòng)推進(jìn)梁系統(tǒng)在環(huán)形梁大齒圈上走至指定位置，然后由擺動(dòng)馬達(dá)驅(qū)動(dòng)擺動(dòng)結(jié)構(gòu)，帶動(dòng)整個(gè)推進(jìn)梁擺動(dòng)一定角度到指定的鉆孔方向，通過(guò)推進(jìn)油缸的收縮進(jìn)而對(duì)擺動(dòng)結(jié)構(gòu)的底部產(chǎn)生拉力。由于擺動(dòng)結(jié)構(gòu)基本處于靜止?fàn)顟B(tài)，其反作用力推動(dòng)推進(jìn)梁導(dǎo)軌在鉆孔方向上平移至工作面，并頂緊巖面，完成錨桿鉆機(jī)鉆孔作業(yè)前的準(zhǔn)備工作。

1—推進(jìn)油缸； 2—擺動(dòng)結(jié)構(gòu)； 3—頂氈； 4—扶釬器； 5—導(dǎo)軌； 6—鉆桿； 7—滑塊； 8—錨桿鉆機(jī)。

1.2 擺動(dòng)結(jié)構(gòu)及工作原理

擺動(dòng)結(jié)構(gòu)是連接環(huán)形梁系統(tǒng)與推進(jìn)梁系統(tǒng)的關(guān)鍵部件，具有保護(hù)推進(jìn)油缸的作用，同時(shí)還是推進(jìn)梁進(jìn)行姿態(tài)調(diào)整的關(guān)鍵部件。推進(jìn)油缸一端鉸接在擺動(dòng)結(jié)構(gòu)的底部，另一端鉸接在導(dǎo)軌上，擺動(dòng)結(jié)構(gòu)通過(guò)滑塊與導(dǎo)軌工作面接觸。

擺動(dòng)結(jié)構(gòu)示意圖如圖3所示。擺動(dòng)結(jié)構(gòu)采用了較為簡(jiǎn)單的連接方式，即采用焊接工藝將滑塊連接板、擺動(dòng)馬達(dá)連接盤和推進(jìn)油缸保護(hù)罩焊接成一體，并在結(jié)構(gòu)薄弱部位設(shè)置筋板。連接結(jié)構(gòu)材料采用Q345鋼材。該設(shè)計(jì)方案基于一般機(jī)械結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)理念，通過(guò)添加筋板來(lái)加強(qiáng)局部結(jié)構(gòu)強(qiáng)度，設(shè)計(jì)方案簡(jiǎn)單明了，可以達(dá)到一般工程要求。但是該結(jié)構(gòu)方案并非最優(yōu)的擺動(dòng)結(jié)構(gòu)形式，筋板設(shè)置部位可以采用較先進(jìn)的設(shè)計(jì)手段進(jìn)行更為合理的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，以此提升整個(gè)擺動(dòng)結(jié)構(gòu)的機(jī)械性能，在第3節(jié)中將對(duì)該結(jié)構(gòu)的優(yōu)化設(shè)計(jì)問(wèn)題進(jìn)行重點(diǎn)研究。

1—推進(jìn)油缸保護(hù)罩； 2—擺動(dòng)結(jié)構(gòu)底部； 3—滑塊連接板； 4—擺動(dòng)馬達(dá)連接盤； 5—筋板。

2 初始結(jié)構(gòu)分析

2.1 工況分析

TBM機(jī)載錨桿鉆機(jī)通過(guò)行走基座安裝在環(huán)形梁結(jié)構(gòu)上，可以沿環(huán)形梁周向移動(dòng)，與鑿巖臺(tái)車相比錨桿鉆機(jī)作業(yè)空間小，可操作性不夠靈活，因此有必要對(duì)機(jī)載錨桿鉆機(jī)作業(yè)空間進(jìn)行預(yù)先設(shè)計(jì)及研究。TBM機(jī)載錨桿鉆機(jī)按開(kāi)挖直徑為10 300 mm的隧道進(jìn)行設(shè)計(jì)。根據(jù)隧道支護(hù)的需要，在拱部與側(cè)墻共施加10根錨桿。對(duì)機(jī)載錨桿鉆機(jī)鉆孔范圍、鉆孔直徑、鉆孔角度和深度的要求如下：

1)鉆孔范圍必須覆蓋圓斷面上部270°；

2)孔徑不小于38 mm，鉆孔軸線與隧道法線夾角不大于30°；

3)鉆孔深度不小于3.5 m；

4)鉆孔速度不小于2 m/min。

TBM機(jī)載錨桿鉆機(jī)支護(hù)覆蓋范圍設(shè)計(jì)可達(dá)圓斷面上部270°，設(shè)計(jì)鉆孔軸線與隧道法線夾角為30°，最邊緣鉆入角度與徑向成27.16°，可實(shí)現(xiàn)如圖4所示的錨桿鉆機(jī)支護(hù)范圍。TBM機(jī)載錨桿鉆機(jī)工作空間在環(huán)形梁與洞壁之間上方270°范圍內(nèi)，錨桿鉆機(jī)作業(yè)時(shí)沿圖4中錨桿分布方向打孔。根據(jù)打孔方向及位置可確定機(jī)載錨桿鉆機(jī)作業(yè)時(shí)安裝基座的位置及推進(jìn)梁擺動(dòng)結(jié)構(gòu)的擺動(dòng)角度。

圖4 錨桿鉆機(jī)支護(hù)覆蓋范圍(單位： mm)

本文主要基于錨桿支護(hù)位置確定錨桿鉆機(jī)的鉆孔狀態(tài)，共選用5種作業(yè)工況進(jìn)行分析，如圖5所示。鉆機(jī)工作時(shí)不同工況下安裝基座及推進(jìn)梁的擺動(dòng)結(jié)構(gòu)姿態(tài)變化見(jiàn)表1。

(a) 工況1

(b) 工況2

(c) 工況3

(d) 工況4

(e) 工況5

表1 鉆機(jī)工作時(shí)不同工況下安裝基座及推進(jìn)梁的擺動(dòng)結(jié)構(gòu)姿態(tài)變化

2.2 擺動(dòng)結(jié)構(gòu)受載分析

擺動(dòng)結(jié)構(gòu)主要承受推進(jìn)梁的頂緊力及推進(jìn)梁結(jié)構(gòu)的重力。頂緊力一般取8 000 N，推進(jìn)梁整體重力為9 800 N左右。在Solidworks中確定推進(jìn)梁相對(duì)于擺動(dòng)結(jié)構(gòu)的重心位置，在ANSYS Workbench中進(jìn)行遠(yuǎn)程力設(shè)置，在重心位置設(shè)置對(duì)連接結(jié)構(gòu)與推進(jìn)梁連接部分4個(gè)接觸面作用的遠(yuǎn)程力，方向?yàn)橹亓Ψ较?，以模擬受推進(jìn)梁重力作用的情況。

2.3 有限元分析

利用Workbench對(duì)擺動(dòng)結(jié)構(gòu)進(jìn)行靜力學(xué)分析，得到5種工況下原擺動(dòng)結(jié)構(gòu)的位移及應(yīng)力分布情況。其中，工況3下擺動(dòng)結(jié)構(gòu)應(yīng)力值最大，其應(yīng)力及位移分布如圖6所示，應(yīng)力集中處細(xì)節(jié)如圖7所示。

(a) 應(yīng)力(單位： MPa)

(b) 位移(單位： mm)

圖7 擺動(dòng)結(jié)構(gòu)應(yīng)力集中處(單位： MPa)

由圖6(b)可知，工況3下擺動(dòng)結(jié)構(gòu)最大位移為0.527 63 mm，位于擺動(dòng)結(jié)構(gòu)尾部，即頂緊油缸尾部受力位置。出現(xiàn)這種情況主要是由于在頂緊鉆孔工作面時(shí)，頂緊油缸作用于連接結(jié)構(gòu)尾部，因此該處位移量最大，但不影響工作狀態(tài)。

結(jié)合圖6(a)和圖7可知，該結(jié)構(gòu)在承受較大的推進(jìn)梁重力時(shí)，在連接盤和油缸保護(hù)罩連接部分出現(xiàn)了應(yīng)力集中現(xiàn)象。應(yīng)力集中處采用了較為簡(jiǎn)單的連接方法，即采用焊接手段將連接板、連接盤和油缸保護(hù)罩焊接成一體，并設(shè)置筋板，加強(qiáng)結(jié)構(gòu)受力能力。應(yīng)力集中處最大應(yīng)力為172.62 MPa，由于連接結(jié)構(gòu)材料選用Q345鋼材，應(yīng)力集中處安全系數(shù)大于1.5，在材料許用應(yīng)力范圍內(nèi)，整個(gè)結(jié)構(gòu)90%以上的區(qū)域安全系數(shù)高于10?？傮w來(lái)說(shuō)，結(jié)構(gòu)應(yīng)力分布不合理，應(yīng)力集中部位需優(yōu)化。

3 拓?fù)鋬?yōu)化設(shè)計(jì)

ANSYS Workbench中拓?fù)鋬?yōu)化技術(shù)利用相應(yīng)的算法對(duì)結(jié)構(gòu)計(jì)算迭代，當(dāng)達(dá)到一定迭代次數(shù)時(shí)，將認(rèn)為對(duì)結(jié)構(gòu)性能沒(méi)有作用或者刪除后更能發(fā)揮結(jié)構(gòu)優(yōu)勢(shì)的一些單元?jiǎng)h除，則剩余的單元形成了新的結(jié)構(gòu)拓?fù)湫问?。固體各向同性材料懲罰模型(solid isotropic material with penalization，SIMP)[10-11]是較常用的插值函數(shù)模型，可用于多種目標(biāo)函數(shù)及約束條件的拓?fù)鋬?yōu)化問(wèn)題。子模型法可應(yīng)用于采用體單元或殼單元的結(jié)構(gòu)分析和熱分析，且切割邊界必須遠(yuǎn)離應(yīng)力集中處和載荷施加位置[12]。采用子模型法與拓?fù)鋬?yōu)化相結(jié)合的方式，可以充分發(fā)揮子模型法用于局部細(xì)化研究的特色，達(dá)到模型關(guān)鍵部位拓?fù)鋬?yōu)化的目的，同時(shí)提高計(jì)算精度和效率。

3.1 拓?fù)鋬?yōu)化原型

3.1.1 拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)原型

將優(yōu)化區(qū)域和非優(yōu)化區(qū)域在建模過(guò)程中事先分割開(kāi)來(lái)，利用子模型技術(shù)進(jìn)行靜力學(xué)分析以及拓?fù)鋬?yōu)化。將需要優(yōu)化的部分在方案成型初期設(shè)計(jì)成安全系數(shù)非常大的結(jié)構(gòu)，以擴(kuò)大優(yōu)化空間，大幅增加應(yīng)力集中處的材料分布。拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)原型如圖8所示。在拓?fù)鋬?yōu)化設(shè)置中僅需要對(duì)圖8中的優(yōu)化區(qū)域結(jié)構(gòu)進(jìn)行拓?fù)鋬?yōu)化，這樣大大節(jié)省了計(jì)算時(shí)間，且不影響計(jì)算結(jié)果。另外，設(shè)置非優(yōu)化區(qū)域可以保證在優(yōu)化時(shí)避免去除一些在實(shí)際產(chǎn)品中必不可少的部位，如螺栓孔、安裝臺(tái)等，且邊界條件也應(yīng)指定為非優(yōu)化區(qū)域。

圖8 拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)原型

3.1.2 拓?fù)湓蛻?yīng)力分析

本文基于靜力學(xué)分析對(duì)結(jié)構(gòu)進(jìn)行拓?fù)鋬?yōu)化，因此首先對(duì)擺動(dòng)結(jié)構(gòu)的拓?fù)湓瓦M(jìn)行靜力學(xué)分析，載荷及邊界條件與原始方案相同。拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)原型的應(yīng)力與位移分布如圖9所示。由圖可知，該結(jié)構(gòu)位移以及應(yīng)力分布情況有很大改善，但應(yīng)力集中位置未發(fā)生改變。應(yīng)力集中處應(yīng)力最大為38.963 MPa，遠(yuǎn)遠(yuǎn)低于材料許用應(yīng)力，因此安全余量非常大，在此基礎(chǔ)上可以對(duì)該結(jié)構(gòu)進(jìn)行輕量化設(shè)計(jì)，以達(dá)到材料最優(yōu)分布和應(yīng)力合理分布的目的。

(a) 應(yīng)力(單位： MPa)

(b) 位移(單位： mm)

3.1.3 子模型應(yīng)力分析

Workbench的子模型技術(shù)操作簡(jiǎn)單，適用性較好[13]。首先建立局部模型，再將切割邊界位移插值(如圖10所示)作為邊界條件施加在局部模型切割面[14-15]，在切割邊界插入整體分析中得到的節(jié)點(diǎn)位移。可以看出，在整體分析中子模型切割面上越偏離中心的位置位移量越大，與實(shí)際情況一致。

圖10 擺動(dòng)結(jié)構(gòu)子模型的切割邊界位移插值(單位： mm)

子模型應(yīng)力分布與整體分析中的子模型應(yīng)力分布一致，如圖11所示，因此子模型法在該結(jié)構(gòu)中適用。

圖11 擺動(dòng)結(jié)構(gòu)子模型應(yīng)力分布(單位： MPa)

3.2 擺動(dòng)結(jié)構(gòu)拓?fù)鋬?yōu)化

3.2.1 拓?fù)鋬?yōu)化設(shè)置

本節(jié)分析為結(jié)構(gòu)靜力學(xué)分析，對(duì)于所有響應(yīng)類型值，響應(yīng)目標(biāo)均為最小，設(shè)置最小化的柔順度，即最大化的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)剛度[16]。本節(jié)中拓?fù)鋬?yōu)化采用質(zhì)量響應(yīng)約束，設(shè)置質(zhì)量約束條件為保留30%的質(zhì)量，基于此進(jìn)行迭代計(jì)算。

3.2.2 拓?fù)鋬?yōu)化過(guò)程

子模型法拓?fù)鋬?yōu)化項(xiàng)目聯(lián)接如圖12所示。在AWE中，采用子模型法和拓?fù)鋬?yōu)化相結(jié)合的方法，共需要3個(gè)項(xiàng)目聯(lián)合進(jìn)行操作。從拓?fù)湓椭蟹蛛x出需要優(yōu)化的部位，并利用位移插值法將位移以邊界條件的形式施加在優(yōu)化部位與整體連接面，然后進(jìn)行拓?fù)鋬?yōu)化的優(yōu)化目標(biāo)、響應(yīng)約束、優(yōu)化區(qū)域等相關(guān)設(shè)置。

圖12 子模型法拓?fù)鋬?yōu)化項(xiàng)目聯(lián)接

拓?fù)鋬?yōu)化響應(yīng)約束迭代過(guò)程如圖13所示。從圖中可以看出，質(zhì)量響應(yīng)約束在第1次迭代時(shí)達(dá)到收斂。之后拓?fù)鋬?yōu)化目標(biāo)在此基礎(chǔ)上開(kāi)始逐漸收斂，在迭代了17次之后完全收斂，如圖14所示。

圖13 拓?fù)鋬?yōu)化響應(yīng)約束迭代過(guò)程

圖14 拓?fù)鋬?yōu)化目標(biāo)迭代過(guò)程

3.2.3 拓?fù)鋬?yōu)化結(jié)果

拓?fù)鋬?yōu)化結(jié)果如圖15所示。根據(jù)拓?fù)鋬?yōu)化結(jié)果認(rèn)為，骨架結(jié)構(gòu)比板件結(jié)構(gòu)更加能夠達(dá)到較好的材料分配利用和更合理的應(yīng)力分布，因此在原設(shè)計(jì)方案的筋板結(jié)構(gòu)處增添了支架結(jié)構(gòu)。由圖15可以看出，優(yōu)化部分雖是對(duì)稱結(jié)構(gòu)，但是因?yàn)槭芰Σ痪?，?yōu)化結(jié)果顯示不對(duì)稱。在實(shí)際設(shè)計(jì)中更偏向于對(duì)稱結(jié)構(gòu)，因此，在后續(xù)優(yōu)化結(jié)構(gòu)整合中需要進(jìn)一步考慮。

(a) 未去除材料

(b) 去除材料

4 拓?fù)鋬?yōu)化結(jié)果驗(yàn)證

4.1 靜力學(xué)分析驗(yàn)證

優(yōu)化分析后的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)需要整合，依據(jù)實(shí)際設(shè)計(jì)工藝等進(jìn)行邊界修整，最終得出整合后的擺動(dòng)結(jié)構(gòu)，如圖16所示。該結(jié)構(gòu)優(yōu)化部分的拓?fù)湫问桨l(fā)生了變化，原筋板處的結(jié)構(gòu)修改為桿件結(jié)構(gòu)，優(yōu)化前后的擺動(dòng)結(jié)構(gòu)參數(shù)如圖17所示。優(yōu)化前，筋板結(jié)構(gòu)形式的擺動(dòng)結(jié)構(gòu)體積為0.026 3 m3。整合后桿件結(jié)構(gòu)形式的擺動(dòng)結(jié)構(gòu)體積為0.027 1 m3，Q345鋼的使用量?jī)H增加了0.000 8 m3，擺動(dòng)結(jié)構(gòu)的質(zhì)量增加了3%，基本不會(huì)對(duì)環(huán)形驅(qū)動(dòng)馬達(dá)和齒圈的負(fù)載產(chǎn)生影響，且優(yōu)化后材料得到了更合理的分配，因此該拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)較為理想。

將第2.3節(jié)中5種工況的有限元分析結(jié)果與原設(shè)計(jì)方案進(jìn)行對(duì)比分析，以驗(yàn)證拓?fù)鋬?yōu)化的合理性。在靜力學(xué)分析中，原結(jié)構(gòu)工況3下應(yīng)力值最大，該工況下關(guān)鍵部位優(yōu)化前后的應(yīng)力對(duì)比如圖18所示。優(yōu)化后關(guān)鍵部位結(jié)構(gòu)形式和應(yīng)力分布發(fā)生了很大的變化，可以看出，骨架結(jié)構(gòu)很好地分擔(dān)了應(yīng)力，使材料得到了更有效的利用。工況3下優(yōu)化后的結(jié)構(gòu)應(yīng)力分布范圍明顯增大，最大應(yīng)力值減小到54.542 MPa，整體應(yīng)力值也有一定的降低。

圖16 整合后的擺動(dòng)結(jié)構(gòu)

(a) 優(yōu)化前

(b) 優(yōu)化后

(a) 優(yōu)化前

(b) 優(yōu)化后

優(yōu)化前后各工況下擺動(dòng)結(jié)構(gòu)的靜力學(xué)位移及應(yīng)力對(duì)比見(jiàn)表2。由表2可知，優(yōu)化后各工況下擺動(dòng)結(jié)構(gòu)的力學(xué)性能明顯提升，危險(xiǎn)工況下最大應(yīng)力減小了118.078 MPa，應(yīng)力集中現(xiàn)象明顯改善； 在同樣的載荷條件下，位移變形量減小了0.305 77 mm，結(jié)構(gòu)剛度有所提升。該優(yōu)化設(shè)計(jì)改變了結(jié)構(gòu)形式和受力路徑，雖然在一定程度上增加了鋼材的使用，但改善了TBM機(jī)載錨桿鉆機(jī)系統(tǒng)機(jī)械結(jié)構(gòu)性能，符合工程實(shí)際需要。

表2 優(yōu)化前后各工況下擺動(dòng)結(jié)構(gòu)的靜力學(xué)位移及應(yīng)力對(duì)比

4.2 模態(tài)分析驗(yàn)證

當(dāng)結(jié)構(gòu)拓?fù)湫问桨l(fā)生改變，其模態(tài)也會(huì)隨之變化，本節(jié)針對(duì)優(yōu)化前后擺動(dòng)結(jié)構(gòu)前6階的固有頻率變化進(jìn)行驗(yàn)證分析。不同工況下同一結(jié)構(gòu)的固有頻率及振型基本一致，因此，針對(duì)優(yōu)化前后工況3下的擺動(dòng)結(jié)構(gòu)進(jìn)行模態(tài)分析，得到工況3下優(yōu)化前后的6階固有頻率及振型[17]，固有頻率對(duì)比如表3所示。

表3 工況3下優(yōu)化前后擺動(dòng)結(jié)構(gòu)的固有頻率對(duì)比

由優(yōu)化前后擺動(dòng)結(jié)構(gòu)的固有頻率及振型分析可知，優(yōu)化后擺動(dòng)結(jié)構(gòu)的第1階固有頻率由47.481 Hz提升至87.858 Hz，一定程度上提高了結(jié)構(gòu)的動(dòng)態(tài)特性，可避免機(jī)載錨桿鉆機(jī)發(fā)生共振； 另外，結(jié)構(gòu)不同階數(shù)固有頻率下的振型也發(fā)生了改變。

5 結(jié)論與建議

1)通過(guò)將新擺動(dòng)結(jié)構(gòu)與原擺動(dòng)結(jié)構(gòu)各工況下的受力及變形情況進(jìn)行對(duì)比分析可知，危險(xiǎn)工況下新擺動(dòng)結(jié)構(gòu)的最大應(yīng)力減小了118.078 MPa，位移變形量減小了0.305 77 mm，同時(shí)第1階固有頻率明顯提高。

2)拓?fù)鋬?yōu)化設(shè)計(jì)后的擺動(dòng)結(jié)構(gòu)靜態(tài)和動(dòng)態(tài)性能都有所提高，結(jié)構(gòu)應(yīng)力集中現(xiàn)象得以改善，結(jié)構(gòu)剛度得到提升，結(jié)構(gòu)更加穩(wěn)定。

3)本文主要針對(duì)TBM機(jī)載錨桿鉆機(jī)的擺動(dòng)結(jié)構(gòu)進(jìn)行數(shù)值模擬和拓?fù)鋬?yōu)化設(shè)計(jì)及理論研究，下一步計(jì)劃在大涼山隧道工程應(yīng)用中獲得振動(dòng)荷載等相關(guān)數(shù)據(jù)，以對(duì)優(yōu)化后的擺動(dòng)結(jié)構(gòu)性能進(jìn)行進(jìn)一步驗(yàn)證。