TBM刀盘的有限元参数化建模系统开发

潘伶伶，焦永树，蔡宗熙

(1.河北工业大学机械工程学院，天津 300130;2.天津大学力学系，天津 300072)

0 引言

TBM(Tunnel Boring Machine全断面硬岩隧道掘进机)作为岩石隧道开挖的专用机械，以其自动化程度高、人力耗费少、施工速度快及隧洞成形规则等优点，在隧道工程中已得到广泛应用。刀盘是TBM中的关键部件，对TBM的掘进性能起着至关重要的作用。因此，深入研究刀盘的静、动力工作特性，对提高掘进效率、降低施工成本具有重要意义。近年来，很多学者对TBM刀盘的破岩机制和与设计制造相关的技术问题进行了一些研究，并取得了一些有实用价值的成果，如:张厚美［1］、夏毅敏等［2］、马泳涛等［3］对 TBM 刀盘破岩的力学性能进行了理论和数值分析;曹旭阳等［4］、HUO Junzhou 等［5］研究了 TBM 刀盘刀具的布置方式;李震等［6］基于多目标遗传算法，对TBM刀盘的主要结构参数进行了优化设计;翟国强等［7］探讨了刀盘的进出渣结构设计问题;桑松岭［8］通过改变支撑筋布置方式对TBM刀盘进行了优化设计。

在上述研究中，对刀盘系统进行有限元分析是对其结构进行设计和优化的必要前提。而对于TBM刀盘这类极为复杂的结构，有限元模型的建立往往要花费大量的时间和精力。同时，由于刀盘系统的设计需要满足作业地段的地质条件和施工要求，属非标准定制设计，其设计模型的可复制性较差。此外，由于不同软件在数据处理精度上存在一定差异，由专业建模软件(如SolidWorks、Pro/E等)所建立的模型在导入有限元软件过程中往往会出现几何元素丢失或交叉等问题，而这些问题的修正也是一项耗时、费力的工作。若能实现有限元参数化建模，可显著减少模型构建工作量，极大缩短设计周期。目前，已有多位学者采用参数化建模技术，对类似复杂结构的有限元模型实现了参数化构建，如:刘东［9］、莫江涛等［10］、薛龙泉等［11］将 VC++ 与 ANSYS结合，实现了针对自升式海洋平台桩腿及桩靴、工程中常见的螺旋结构、汽车发动机曲轴等结构的参数化建模;韩伟峰等［12］应用 VB 与 CATIA 和 ANSYS结合，陈昊［13］采用C++Builder与ANSYS结合，实现了用于软土或复合地层盾构刀盘的参数化建模与有限元分析。截至目前，对应用于硬岩地层的TBM刀盘系统的有限元参数化建模，还未见文献报道。本文结合VC++与ANSYS，开发了适用于TBM刀盘的有限元参数化建模系统。

1 基于APDL的模型创建

TBM刀盘系统各部分细部结构相当复杂，对实际结构进行精确有限元分析是非常困难的。因此，需要在不改变结构形态和特征尺寸的前提下，对实际模型进行必要的简化。本文采取的主要简化措施包括:1)忽略刀盘面板上的焊缝、人孔等细小结构;2)简化刀座内部结构，以中空块体代替;3)将滚刀看成一整体，忽略其内部轴承、密封圈等细部结构。

在模型简化的基础上，还需选取描述模型结构特征和尺寸的控制参数。这些控制参数应具有独立性和相容性。独立性是指这些参数不仅不能彼此替代，亦不能通过特定的几何或物理关系相互导出;相容性是指这些参数本身以及由这些参数衍生出来的细部结构参数，不能出现尺寸冲突。在详细分析了简化后的TBM刀盘系统的结构特征后，本文设置了51个可变参数，其中:结构特征参数7个，包括肋板数目、滚刀型号及各类刀具数目等;结构尺寸参数40个，包括刀盘面板半径、前面板厚度及各刀具位置坐标等;网格尺寸参数4个，包括刀盘基体网格尺寸，滚刀刀体、刀箱网格尺寸以及其他网格尺寸等。

根据选取的模型控制参数，再按照实际需要设定一系列中间变量，应用ANSYS提供的APDL参数化设计语言，编制刀盘系统模型创建的命令流程序代码作为参数化建模程序。

刀盘整体结构可以分为刀盘基体和刀具2模块，其创建过程可以按照如下顺序来完成，即:刀盘基体创建、刀具创建和刀具与刀盘基体装配。首先，根据给定的刀盘面板、垂直及倾斜筋板、肋板及后座结构等尺寸，创建原始刀盘基体模型。此部分主要采用VROTA(面旋转成体)及CYLIND(生成柱体)等命令实现。为便于后续的装配，需要在原始刀盘基体的刀具相应位置(由径向和环向坐标确定)处切孔，此部分主要利用DO－LOOP循环及VSBV(体布尔减)命令完成。带刀孔的刀盘基体模型如图1(a)所示。其次，TBM刀盘系统中的刀具以滚刀为主，滚刀在此细分为宽型滚刀和窄型滚刀。滚刀的生成主要由VROTA、BLOCK(生成块体)及VEXT(面拖成体)等方式来实现。单刃滚刀均按宽型滚刀创建，中心滚刀、多刃滚刀均由窄型滚刀按刀刃数目复制(VGEN)而成。各类滚刀模型如图1(b)、(c)、(d)所示。再次，按照各刀具柱坐标定位参数，将各刀具置于刀盘基体相应位置，利用粘接命令(VGLUE)即可完成装配，从而生成刀盘模型。另外，为便于网格划分，在建模过程中已添加相应程序对模型进行了一系列切割调整等操作。

图1 建模过程模型图Fig.1 Modeling process

模型创建完毕后，对加载求解程序也进行了相应封装。刀盘在工作中承受的主要载荷有推力和扭矩2种。本文中的推力以均布载荷形式施加于刀盘底板上，扭矩通过耦合方式施加于底板中心，位移约束施加于各滚刀刀圈顶部。全部建模及加载求解过程均通过APDL语言实现。若需要其他类型载荷或加载方式，需打开已建立的有限元模型通过手动加载求解。

2 用户界面创建

为进一步提高参数化程度，本文采用VC++6.0基于对话框的MFC应用程序开发了一套人机交互界面。首先启动系统程序，进入文件设置界面(如图2所示)。通过该界面设置文件名及保存路径，并为“下一步”按钮添加响应事件，使系统保存设置并进入具体的参数设置界面。本文设立的参数设置界面主要包括材料属性设置界面(如图3所示)、刀盘基体参数界面、滚刀参数设置界面(如图4所示)、肋板参数界面、网格尺寸界面及载荷设置界面(如图5所示)等。用户通过这些参数设置界面输入相应参数，这些参数又被赋予特定的参数名，并生成以.mac为扩展名的文本文件，以备作为宏命令在APDL建模代码中直接调用。由此实现界面输入参数与建模代码之间的参数传递。参数输入完毕后，为界面添加相应响应函数，对已输入参数的合理性进行检验。若出现数据相悖则需返回，并重新设置数据。若数据检验通过则进入载荷设置界面，输入载荷参数并运行ANSYS，以创建有限元模型并求解。ANSYS执行完毕后，输出结果文件并返回运行结束消息窗。上述程序流程如图6所示。

图2 文件设置界面Fig.2 Interface of file setting

图3 材料属性设置界面Fig.3 Interface of material property setting

图4 滚刀参数设置界面Fig.4 Interface of parameter setting of disc cutter

图5 载荷设置界面Fig.5 Interface of load setting

图6 系统运行流程Fig.6 Running flowchart of the system

3 参数宏文件生成及全局变量设定

在每个对话框中，点击“下一步”可将本界面输入的参数生成宏文件并弹出下一对话框。C++提供了多种方法来实现文本文件的写操作，本文采用其中的ofstream类来实现这一功能。编写代码时，写入宏文件的内容应严格按照APDL语言要求的格式编写，这样才能实现参数文件与APDL命令流程序的无缝连接。弹出“下一步”对话框功能使用窗口类的成员函数DoModal()来实现。以文件设置对话框为例，为其“下一步”按钮的单击事件添加如下代码即可实现这一功能:

void CFilePath::OnNextstep()

{UpdateData(TRUE);//将界面控件中显示的值复制给成员变量

ofstream fout("fileset.mac");//以输出方式打开文件fileset.mac，若目录中不存在则自动创建

fout＜ ＜"fpath=＇" ＜ ＜m_path＜ ＜"＇" ＜ ＜" ";//在文件中写入“fpath=…”，m_path为图2界面上的文件路径

fout＜ ＜"fname=＇" ＜ ＜m_fname＜ ＜"＇" ＜ ＜" ";//在文件中写入“fname=…”，m_fname为图2界面上的文件名

fout＜ ＜flush; fout.close(); //回写文件缓冲，保存并关闭文件

CMat dlg;dlg.DoModal();//定义 CMat类变量dlg，并调用CMat类对话框

CDialog::OnOK();}//关闭对话框

此外，系统开发过程中还会遇到某对话框程序使用其他对话框类变量的情形。由于每个对话框所设定的控件变量均为局部变量，所属对话框类外并不能直接访问。因此，须将这些变量设置为全局变量。由于本文只涉及类外变量的使用，不涉及对其变量值的改动，所以并未直接将这些控件变量设定为全局变量，而是另外设定一系列全局变量，将需要外部访问的控件变量赋以全局变量，从而间接实现对其他类变量的访问。为此，程序中添加了一个没有基类的新类CGlb，在该类中定义所需的全局变量，均使用static修饰，并在类外进行变量初始化。例如，在模型创建对话框中涉及到对文件路径及模型文件名的访问，可针对路径及文件名这2个控件变量设定2个相应的全局变量，在CGlb.h文件中添加如下代码:

class CGlb

{public:

CGlb();//构造函数声明

virtual～CGlb();//析构函数声明

public:

static CString g_fpath;//声明静态数据变量，字符串类变量g_fpath

static CString g_fname;};//声明静态数据变量，字符串类变量g_fname

在CGlb.cpp文件中添加如下代码:

CGlb::CGlb(){}//定义构造函数

CGlb::～CGlb(){}//定义析构函数

CString CGlb::g_fpath;//初始化CGlb类变量g_fpath

CString CGlb::g_fname;//初始化CGlb类变量g_fname

并在文件设置对话框的“下一步”按钮的响应事件中添加如下代码:

CGlb::g_fpath=m_path;//将m_path变量值赋予全局变量g_fpath

CGlb::g_fname=m_fname;//将 m_fname变量值赋予全局变量g_fname

这样即可实现在文件设置对话框类外对文件路径及文件名的访问。

4 实例检验

为检验本文所开发系统的有效性和可靠性，以某型号直径4 m TBM刀盘为例进行了模型构建和静力分析。该刀盘材料为Q345，弹性模量为206 GPa，泊松比为0.28，材料密度为7 800 kg/m3。刀圈材料为AISI4340钢，其屈服极限为835 MPa，滚刀直径为432 mm(17″)。刀盘上共有2把双刃滚刀，9把正滚刀，8把边滚刀，中心滚刀刃数为4，另外还有4把刮刀。其他控制参数按设计图纸要求通过界面输入。考虑极限承载情况，总推力载荷为 6 250 kN，扭矩为 960 kN·m。各项参数输入完毕后，运行ANSYS以建立刀盘模型。其实体模型如图7(a)所示，与设计模型保持较高一致性。划分网格后的有限元模型如图7(b)所示，共有单元254 462个，节点数为89 650个。图8(a)为刀盘系统的Von－Mises应力分布图，最大应力659.2 MPa，发生在图8(a)所标示的边滚刀圈顶部。刀盘面板上的应力普遍小于滚刀上的应力，均处在100 MPa以下。因此整体结构满足强度要求。图8(b)为轴向变形图，最大变形仅为0.32 mm，约为刀盘直径的0.08‰。这些信息对于认识刀盘的受力情况，从而改进刀盘系统设计具有一定的参考价值。

图7 刀盘有限元模型Fig.7 Finite element model of cutter-head

图8 计算结果云图Fig.8 Contour of calculation results

5 结论与讨论

通过应用APDL，结合Visual C++的可视化编程技术，开发了一套可视性良好的TBM刀盘有限元参数化建模分析系统。该系统可完成对TBM刀盘系统的参数化建模及有限元静力计算，从而为设计和研究人员减轻模型构建的工作量，显著提高工作效率，缩短结构分析和设计周期。但本系统未能加入刀具布置方法的计算，使用者需根据实际施工环境选择合适布刀方式，获得各刀具坐标之后再进行建模。因此，若能将刀具布置方法加入本系统，将会为刀盘设计提供更大便利，这将作为下一步研究的重点。

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［2］ 夏毅敏，罗德志，欧阳涛.小型盾构刀盘有限元建模与分析［J］.制造业自动化，2010，32(2):15－17.(XIA Yimin，LUO Dezhi，OUYANG Tao.Finite element modeling and analysis for a small shield cutterhead［J］.Manufacturing Automation，2010，32(2):15 －17.(in Chinese))

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［4］ 曹旭阳，张伟，王欣，等.TBM典型刀盘刀具布置方法及软件实现［J］.工程机械，2010，41(1):21 － 25.(CAO Xuyang，ZHANG Wei，WANG Xin，et al.Cutter Layout method and software realization of typical TBM cutter head［J］.Engineering Machinery，2010，41(1):21 －25.(in Chinese))

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［13］ 陈昊.面向对象的盾构机刀盘有限元模型自动生成与分析系统［D］.天津:天津大学机械工程学院，2010.(CHEN Hao.Object-oriented cutterhead automatic generation of finite element model and analysis system［D］.Tianjin:College ofmechanicalEngineering，Tianjin Univercity，2010.(in Chinese))