盾构刀盘参数化建模系统开发

韩伟锋，李凤远，王助锋

(中铁隧道集团有限公司盾构及掘进技术国家重点实验室，郑州 450001)

0 引言

在新产品的研制过程中，70% ～80%的研发费用耗费于设计阶段。因此，如何开发和研究先进的设计方法与工具，以提高产品设计的效率就显得至关重要。参数化设计的关键是几何约束关系的提取和表达、几何约束的求解以及参数化几何模型的构造。20世纪70年代末及80年代初，英国剑桥大学的R.C.Hillyard和美国MIT大学的D.C.Gossard等率先将参数化设计用于CAD中;1985年，美国PTC公司首先推出参数化CAD系统Pro/Engineer。目前，虽然二维参数化设计技术已发展得较为成熟，在参数化绘图方面已得到了广泛应用，但是，三维参数只能处理的面类型主要是轴线、平面和轴对称面，能处理的约束类型还很有限［1－5］。由于计算机图形处理技术的发展，针对机械设计的软件功能越来越强大，如当前使用较为广泛的CATIA［6－7］，该软件自身具备参数建模功能，且与 Visual Basic有直接接口［8］。

随着国内铁路、城市地铁等重大基建项目的开展，同时在施工过程中人们对环境保护的需求，盾构已经成为隧道工程施工的首选装备。盾构刀盘作为盾构机最为核心的部件之一，在盾构施工过程中开挖底层、支撑掌子面、搅拌渣土，其工作条件极其恶劣，受力复杂。盾构刀盘性能的好坏将直接影响盾构工作效率，因此在盾构施工中对盾构刀盘的可靠性要求特别高［9－10］。由于盾构刀盘具有工作环境恶劣、可靠性要求高的特性，工程技术人员在设计刀盘时要反复地计算，即使是同一种类型的刀盘只是尺寸有所变化，也要重复做同样的工作。但是，一旦工程合同签订后，为保证工程施工期，盾构机设计时间要求一般都很紧张，为了减少盾构刀盘的设计时间，可以采用刀盘参数化建模来解决该问题。

目前国内虽然有一些关于盾构刀盘建模软件的介绍与开发，但是大多软件都只限于满足刀盘有限元分析即可。一般进行有限元分析的模型属于简化模型，不能直接用于实际的工程设计中［11－14］，设计人员在进行工程设计时仍然需要把刀盘重新细化设计。结合使用CATIA和Visual Basic进行盾构刀盘建模软件开发，该系统完成了盾构刀盘90%以上的设计工作，刀盘基体和刀盘上的各种刀具分属于不同本体，刀盘基体可以用于后续的刀盘结构分析，而整个盾构刀盘三维模型可以直接用于工程设计。

采用CATIA完成盾构刀盘参数化建模后，通过Visual Basic封装即可完成盾构刀盘参数化建模系统的开发。通过该系统输入关键的边界条件，系统即可快速生成盾构刀盘模型。由于在对盾构刀盘参数化建模过程中已经完成关键参数的计算，因此，根据边界条件生成的刀盘模型各个方面的性能基本满足设计要求。设计人员通过简单的后处理即可快速完成刀盘的设计。

1 盾构刀盘结构

由于掘进地质的差异，盾构机的刀盘结构形式种类繁多，但从根本上刀盘可以分为软土掘进刀盘和复合地层掘进刀盘2类。一般软土刀盘刀具较为简单，刀盘只有切刀和面板组成，建模比较简单;复合地层所用的刀盘较为复杂，刀盘在建模过程中分为前面板、刀盘外圈梁、边滚刀、刀盘辐条、小三角面板、中心滚刀、小切刀、辐条上滚刀、加强筋、边刮刀和牛腿。

2 盾构刀盘建模种类

盾构刀盘结构较为复杂，在参数化建模过程中如果设置的变量条件太多，在建模过程中会很容易出错，因此，根据刀盘的尺寸和结构形式的不同，对刀盘建立不同的模型。建模完成后采用VB编程调用不同的模型即可完成不同参数盾构刀盘的快速建模。

刀盘参数化建模模型:

1)按照掘进地层不同分为2种刀盘。①软土掘进刀盘;②复合地层掘进刀盘。

2)考虑到运输的方便性和滚刀的安装，按照刀盘的尺寸分为以下几种结构。①6 m以下的小刀盘。由于空间位置的限制，边滚刀的数量不能安装的太多，可以适当增加边滚刀的间距来减少边滚刀的数量。②6～8 m的中型刀盘。根据实际空间位置限制和经验设计，边滚刀的数量可取11～12把，边滚刀间距从刀盘外圆向内按照等差数列从0递增到80 mm。③8 m以上的大型刀盘。为了运输的方便，需要把刀盘分块建立，边滚刀的数量也可以适当增加，减小刀间距，增加边滚刀的使用寿命。

通过刀盘分类可知，如果要完成盾构建模需要建立6类盾构刀盘模型。当然也可以只建立软土刀盘、复合地层刀盘和硬岩刀盘3种模型，但是这种建模方式在建模过程中会增加参变量的数量和建模复杂程度。采用VB编程建立索引调用6类盾构刀盘模型即可完成整个盾构刀盘的建模。

3 刀盘建模参数

刀盘参数化建模并不是把所有的尺寸、数据和角度都参数化，否则由于参数太多，而普通的工程设计人员又不太清楚各个参数的意义以及各个参数与其他参数之间的关联性，在输入参数的过程非常容易出错。即使在建模过程把各个参数的意义标定出来，由于参数的量太大，在输入参数的过程中也是容易出错的。所以，在参数化建模过程中必须先选定刀盘的关键参数，然后把不关键的数据使用已知的关键参数关联、几何关系约束和固定个别无关紧要的参数等。根据研究，刀盘的关键参数有刀盘直径、刀盘筋板厚度、前面板厚度、中心滚刀间距、辐梁上滚刀间距和开口率等。

4 刀盘参数化建模

以适合复合地层掘进的海瑞克S261盾构刀盘结构为例，该刀盘为直径在6～8 m复合地层刀盘的典型结构。其具体建模过程可以分为刀盘基体建模、各种刀具刀箱建模和把刀箱刀具安装到刀盘基体上3部分。

4.1 刀盘基体建模

1)把刀盘直径、刀盘厚度、前面板厚度、后面板厚度、筋板厚度、刀具相关主要尺寸、刀盘开口率、中心刀间距、边滚刀递增间距、边滚刀与掘进方向角度、辐条上滚刀间距、小切刀起始半径、小切刀刀间距、安装小切刀辐条两侧筋板的夹角和牛腿等相关主要参数输入到CATIA参数包内，以供建模过程中调用，如图1(a)所示。

2)设计出各种滚刀轨迹，各种类型刀具的轨迹采用不同的线型表示，如图1(b)所示。该种结构刀盘在6～8 m范围内变化，可以初步考虑为边滚刀数量不变。因为边滚刀的主要作用一方面是让盾构的掌子面与盾体侧面有个过渡圆角，而不致于使掌子面和盾体侧面变化太过于突然，另一方面是由于刀具安装空间位置的限制，如果没有边滚刀，掌子面上所有滚刀的刀刃是到不了盾体的边缘的。所以在6～8 m的直径范围边滚刀的数量和刀间距都可以作为定值不变，而只需要其位置随刀盘直径的变化而变化。

3)根据已经完成的刀具轨迹线，完成边滚刀和中心滚刀刀箱的安装基体建模。在建模过程中边滚刀刀箱安装基体的倾斜角度按照边滚刀与掘进方向的倾斜角度设定，中心滚刀与辐条上的正滚刀导向安装基体与掘进方向平行，如图1(c)所示。

4)添加辐条筋板及刀盘的各种加强筋，如图1(d)所示。

5)外圈梁及前后面板建模，如图1(e)所示。

6)牛腿及主轴承连接法兰盘建模，如图1(f)所示。

4.2 各种刀具刀箱建模

完成双刃滚刀、单刃滚刀、切刀、边刮刀和刀箱的建模，所有刀具为标准模型，不存在参数化问题，可以把不同类型和不同型号的刀具作为标准件存放在模型库内，以供不同需求来调用，各种刀具模型如图2所示。

图2 各种刀具模型Fig.2 Models of different cutting tools

4.3 刀具刀箱与刀盘基体装配

在CATIA装配模式下通过调用模型库内的刀具与刀箱，完成各种刀具刀箱与刀盘基体的参数化装配。在装配过程中所有零部件的相对位置均采用参数化安装。边滚刀为单体刀，连同其刀箱一起安装在已经设计好的边滚刀安装基体内。由于随着刀盘直径或者刀间距的变化，辐条上的滚刀数量在不断变化，辐条上的滚刀采用极坐标方式定位，每把滚刀由一角度参数和一轴向尺寸定位，这样辐条上的正滚刀数量可以随着刀盘直径和刀间距的变化而变化。

5 建模系统的封装

运用CATIA完成盾构刀盘参数化建模后，把所有参数输出到EXCEL表格内，并且与CATIA内部参数名称相关联。EXCEL表格内的数据与CATIA主程序中已经编制完成的盾构刀盘的各个数据一一相对应且相关，CATIA主程序中的参数与EXCEL表格内的数据有一个地方的数据有改动，另外一个地方的数据也会有相应的变化，且整个盾构刀盘模型会随着新数据进行更新变换。

盾构刀盘各个参数关系编辑采用CATIA完成，对建模系统的封装采用Visual Basic完成。软件封装的主要过程为通过VB编写程序启动CATIA，然后软件自动调用已经建好的模型。软件输入窗口的文本框和已经完成的EXCEL表格相关联，改变软件输入窗中文本框的内容可以改变EXCEL表中的数据，EXCEL表中的数据又会改变CATIA主程序的参数，最后整个模型会根据软件输入窗口中的数据而改变。盾构刀盘建模软件的数据控制思路如图3所示。

6 实例验证

广州地铁五号线三鱼文隧道所使用的海瑞克S261盾构机刀盘，见如图4。该刀盘直径6 280 mm，刀盘厚度550 mm，中心刀间距90 mm，数量8把;辐梁上正滚刀刀间距100 mm，前面板厚度60 mm，筋板厚度40 mm。以该刀盘为例，完成封装后刀盘参数化建模系统的参数设计界面，如图5所示，输入刀盘的各个参数。图6为系统更新再生后的刀盘模型，从分析软件对刀盘各个部位的分析结果来看，其各个部位的设计均符合实际要求。

7 结论与讨论

采用盾构刀盘参数化建模系统快速生成盾构刀盘模型不仅可以用于刀盘结构分析，而且可以直接用于工程设计中，很大程度上减少盾构机设计人员的劳动强度和加快盾构机设计速度。通过对盾构刀盘快速建模软件开发的介绍，工程设计人员可以根据盾构刀盘参数化建模方法结合在开发设计过程中所遇到的设计共性问题，完成其他关键零部件的二次开发设计。该建模方法虽然可以完成机械装备关键零部件二次开发设计工作，但该方法做出二次开发程序在软件封装过程中主要是采用程序调用方式完成的，所以在二次开发程序的使用过程中所有CATIA主模型的程序文件存放路径不能改变，否则在程序调用过程中将会出现文件丢失。希望工程人员在使用该方法进行二次开发过程中可以克服该问题。

［1］ 孟祥旭.参数化设计研究［J］.计算机辅助设计与图形学学报，2012(11):87 －91.(MENG Xiangxu.A survey of the research works on parametric design［J］.Journal of Computer Aided Design＆ Computer Graphics，2012(11):87 －91.(in Chinese))

［2］ 顾晓华.基于知识工程的参数化设计［J］.机械设计与制造工程，2001(4):19 －20.(GU Xiaohua.The parametric design oriented to knowledge base［J］.Machine Design and Manufacturing Engineering，2001(4):19 －20.(in Chinese))

［3］ 金建国.参数化设计综述［J］.计算机工程与应用，2003(7):19 － 21.(JIN Jianguo.Review of parametric design method［J］.Computer Engineering and Applications，2003(7):19 －21.(in Chinese))

［4］ 王大斌.基于知识工程的参数化设计应用研究［J］.机械设计与制造，2010(9):47 －49.(WANG Dabin.Research on the application of KBE in the parametric design［J］.Machinery Design ＆ Manufacture，2010(9):47 －49.(in Chinese))

［5］ 徐洪涛.基于VB和SolidWorks的螺旋管道参数化设计与流阻特性分析［J］.机电工程，2010(11):9－12.(XU Hongtao.Parametric design and analysis’s flow friction property of helical pipe based on VB and SolidWorks［J］.Journal of Mechanical＆ Electrical，2010(11):9 －12.(in Chinese))

［6］ 夏琳.CATIA V5应用教程:从机械设计到产品设计［M］.北京:水利水电出版社，2010:1－200.

［7］ 詹熙达.CATIA V5产品设计实例教程［M］.北京:机械工业出版社，2008:62－80.

［8］ 杨本伦.Visual Basic开发技术大全［M］.北京:清华大学出版社，2010:3－115.

［9］ 王强.盾构刀盘虚拟样机优化设计与研究［J］.矿山机械，2006，34(12):14 －15.(WANG Qiang.Optimization design and study to the virtual prototype of the TBM cutterhead［J］.Mining ＆ Processing Equipment，2006，34(12):14 －15.(in Chinese))

［10］ 刘守法.新型盾构机刀盘设计与有限元分析［J］.机械设计与制造，2010(3):59 －60.(LIU Shoufa.Design and finite element analysis of a new type cutter head for shield machine［J］.Machinery Design ＆ Manufacture，2010(3):59 －60.(in Chinese))

［11］ 陈馈.盾构刀盘参数化自动建模与优化设计［J］.建筑机械化，2011(1):1－5.

［12］ 王强.盾构刀盘虚拟样机仿真技术研究与分析［J］.工程机械，2008(12):16 －20.(WANG Qiang.Research and analysis for virtual prototype simulation technology of shield disk cutter［J］.Construction Machinery and Equipment，2008(12):16 －20.(in Chinese))

［13］ 夏毅敏.小型盾构刀盘有限元建模与分析［J］.制造业自动化，2010(2):22 －24.(XIA Yimin.Finite element modeling and analysis for a small shield cutter head［J］.Manufacturing Automation，2010(2):22 －24.(in Chinese))

［14］ 陈馈.盾构刀盘的有限元参数化建模及其分析［J］.隧道建设，2011，31(2):143 － 147.(CHEN Kui.Finite element parameterized modeling of and analysis on cutter head of shield machine［J］.Tunnel Construction，2011，31(2):143 － 147.(in Chinese))