盾构刀盘参数化有限元分析模型的自动构建

梁 铃 田怀文 张明尧

（西南交通大学机械工程学院 成都 610031）

1 引言

随着社会经济的发展，人们对基础设施的需求逐渐增大，盾构机作为一种先进的隧道施工机械，在铁路、地铁、高速路等交通设施工程中应用越加广泛，盾构刀盘是盾构机掘进施工的关键部件，其发挥着至关重要的作用。由于地质条件千差万别，在刀盘模型的创建阶段需针对不同的地质条件进行结构设计和优化，同时刀盘结构本身固有的复杂属性，导致研发设计的过程十分缓慢。因此，进一步缩短盾构刀盘的设计优化周期就十分重要。

传统的盾构刀盘设计主要是针对不同的地质条件选择刀盘结构类型，根据现场工况设计并创建三维模型，通过分析其受力情况对模型进行简化，最后对其进行有限元分析，从而实现模型结构的优化，整个刀盘结构设计过程都需要人为操作干预，耗费大量的劳力和项目时间。因此，科研人员从不同角度提出了相应的改进方法。夏毅敏等［1］为施工过程中的刀盘方案选型决策提出了新的便捷方法，并通过实例验证了其合理性和有效性；Rostami等［2］提出了针对硬岩环境下隧道掘进机刀盘设计的优化方法，使刀盘的结构得到了进一步的改善。这类措施主要是在刀盘结构设计方面做出了改进。为模型在优化过程中取得更高的效率，曹伟娟［3］介绍了细节抑制、降维、模型几何结构简化与刀盘整体结构性能的影响，并评估了这项研究的进展成果，为后期简化模型的研究提供了相关的理论支持；Kwon等［4］提出了特征形状复杂度的概念，并通过编程实现了复杂结构力学性能的简化。虽然以上研究实现了刀盘结构设计与模型简化，并提供了一系列的理论知识，但仍存在一些缺陷：1）盾构刀盘参数化模型仍需通过人工干预实现模型的简化；2）有限元分析模型自动构建的功能尚未实现。

针对这个问题，本文研究了有限元分析模型自动构建的方法，其在盾构刀盘参数化设计系统的基础上，以SolidWorks和ANSYS为设计平台，Visual Studio为开发环境，C#为编程语言，实现了以下功能：1）盾构刀盘参数化模型的自动简化；2）盾构刀盘有限元分析模型的自动构建。

2 系统框架

2.1 系统框架基础

有限元模型自动构建系统的框架如图1所示，采用SolidWorks2014、ANSYS145及MySQL5.6为开发平台，Visual Studio2010为开发工具，具体实现步骤如下：

1）使用MySQL建立零部件的标准件库，并储存零部件的特征及参数；

2）在Visual Studio2010中采用面向对象的程序语言C#进行设计，实现SolidWorks和ANSYS的二次开发，以及零件的选取和参数的修改等功能；

3）当获得确定的三维模型后，采用C#编程语言对SolidWorks中API函数特定对象、属性、方法进行调用，完成三维模型的简化；

4）在开发设计时ANSYS无法提供通用程序接口和API函数，其主要采用APDL语言作为二次开发语言，并编写命令流文件。为此，本文利用C#语言实现ANSYS命令流的后台运行，完成有限元分析模型的生成及显示。

2.2 系统总体结构功能模块

系统的主要功能由盾构刀盘结构的参数化设计及其有限元分析模型的自动构建两部分构成。按照系统各部分功能的不同，各模块结构示意图如图2所示。

图1 有限元模型自动构建系统框架

图2 有限元分析模型自动构建系统功能模块

2.3 盾构刀盘参数化设计

盾构刀盘参数化设计主要是由参数输入及数据库的建立、结构形式的选取、零部件的选择及设计、模型的示意图四个部分构成。参数化设计的流程如图3所示，主要包括参数的输入、刀盘结构与开口基本形式的选择、结构的设计及开口率的检验校核、刀具的选择布置及设计安装、刀盘支撑及辅助构件的设计安装，最后对设计出的刀盘进行有限元分析，输出合理的盾构刀盘三维模型。盾构刀盘有限元分析模型自动构建系统运行界面如图4所示。

3 有限元分析模型的自动构建

现在主流的有限元分析模型生成方式是通过手动实现模型简化并将其导入有限元分析软件中，最后生成有限元分析模型（其流程图如图5（a）所示），基于盾构刀盘参数化设计项目，其结构参数会因为客户需求不断地发生变化，这时改变的模型也需要不断地进行简化、导入，若使用手动简化模型和导入模型将会耗费大量的时长，而且在简化过程中也做不到细致入微；同时，如果在ANSYS有限元分析软件中重新建立参数化的有限元分析模型（其流程图如图5（b）所示），其建模过程不仅繁琐重复，而且与参数化设计形成了两套不同的系统，无法达到建模仿真一体化的效果。因此，针对盾构刀盘参数化设计这个项目特别提出了下面的研究思路。

图3 参数化设计流程

图4 有限元分析模型自动构建系统运行界面

图5 生成有限元分析模型不同方法的对比

盾构刀盘有限元分析模型的自动构建主要是由模型简化、模型评价、生成有限元分析模型三个小模块实现的。如图5（c）所示为自动构建盾构刀盘有限元分析模型的流程图，通过编程自动实现模型的简化、评价及导入，与图5（a）、（b）对比可节约大量手动简化及重新建模的时间。

3.1 模型简化及评价

盾构刀盘模型进行有限元分析优化时，由于结构极其复杂，直接将几何模型导入有限元分析软件中，可能出现结构不稳定的情况，同时网格划分也较为复杂，对结果精度影响较大，而且系统的计算量也十分巨大，加载处理速度慢，硬件资源也不能满足需求。因此为提高产品研发的效率，通常对盾构刀盘的模型进行简化处理，并且要满足两个原则：第一，尽可能反映盾构刀盘结构主要的力学特征；第二，尽量简化几何模型，使数值分析模型采用的单元尽可能的少且形状简单。根据上述两个原则，对盾构刀盘进行简化处理［5］：1）删除对分析结构影响不大的细节特征；2）删除对分析结果影响不大的构件；3）删除所有的刀具及其刀座；4）不考虑刀盘焊接处材料特性的变化，认为焊接时符合要求的。

模型简化旨在找出对结果影响不大的构件及特征进行删除。通过零件特征数据库筛选出装配体上对分析结果影响不大的构件及特征，并使用SolidWorks API中的SelectByID2函数分别选择这些构件和特征，然后通过SolidWorks API中的Edit⁃Delete函数对选定的构件和特征进行删除。用户可自行指定细小特征抑制的范围，以保证模型简化的准确性与可靠性，其交互界面如图6所示，通过其与零件特征数据库连接，当用户输入需要抑制的特征范围，系统即可筛选出需要的特征，并对其进行删除。图7（a）为安装法兰盘的几何模型即模型简化前的视图，图7（b）为模型简化后的效果图。可见简化效果非常明显，模型在简化后螺纹孔、间隙孔以及倒圆角特征都得到了抑制。

图6 细小特征范围指定运行界面

图7 模型简化前后视图

模型评价主要包括干涉检查和力学评价。干涉检查主要是为了查找模型在自动简化时是否有零件发生了运动或者交集，是否影响模型的整体设计，避免简化后的模型在导入有限元分析软件中发生未知错误或模型不稳定的现象，使用SolidWorks API中的ToolsCheckInterference函数对整个装配体进行干涉检查，若模型满足要求则自动生成有限元分析模型，否则对模型进行调整。力学评价是指简化后的模型能否反应刀盘结构的力学特征，若存在力的丢失则应将其转化为等效的压力并作用于原本力所在的区域，避免力的缺失导致有限元分析结果存在巨大的误差，使用ANSYS APDL中的“F”命令在缺失的力所在区域施加等效的压力，使简化后的模型满足力学平衡。

3.2 生成有限元分析模型

自动生成有限元分析模型的首要任务是建立Solid Works与ANSYS之间的接口，实现简化后的模型自动完成输出与导入的过程，并进行网格划分生成单元和节点。其主要步骤及实现方法如下。

1）通过SolidWorks API中的SaveAs函数将简化后的模型输出为X_T文件以便在ANSYS 145中打开；

2）通过C#中的startinfo.FileName函数指定调用的进程名称，即ANSYS145软件；

3）通过C#中的startinfo.Arguments函数设定程序执行参数。参数命令为“-b-p ane3fl-j工作文件名称-i输入文件-o输出文件”，其中-b表示采用ANSYS Batch模式，-p表示指定license，ane3fl表示采用的license为ANSYS Multiphysics，-j表示工作文件的名称，-i表示输入的文件，-o表示输出的文件；

4）通过C#的startinfo.WorkingDirectory函数指定程序的工作目录；

5）通过C#中的Process.Start（）函数进行后台批处理，完成模型的自动构建；

6）通过APDL中的VMESH命令对模型进行网格划分，生成有限元分析模型。

4 有限元分析模型自动构建实例

本文以工作于砂卵石地层、直径为6280mm的盾构刀盘为例。如图8所示，其结构主要是以焊接为主（不考虑刀盘焊接处材料特性的变化）。由于此盾构刀盘为参数化模型，当直径变小时，刀具的数量也会随之变少，其结构大小也会发生变化，反之则反，因此选择使用较为广泛的直径为6280mm的盾构刀盘为例生成有限元分析模型。

对患儿家长进行健康教育，指导其帮助患儿调整生活习惯，如饮用液体、进食水果应安排在下午之前，在晚睡前3 h内无饮水，晚餐亦须与睡眠间隔3 h以上，饮食易清淡、易于消化，在睡前注意排空膀胱等。在此基础上，给予醋酸去氨加压素片（规格为0.1 mg/片）0.1 mg～0.2 mg，于每晚睡前1 h口服。共治疗3个月。

图8 6280mm盾构机刀盘

根据简化规则筛选出零件特征数据库中对分析结果影响不大的构件和细节特征，如各种刀具、管路、搅拌棒、倒圆角、螺栓孔、开口槽等，并删除构件抑制特征。本例中需删除小于等于60mm的倒圆角特征以及小于等于320mm的孔特征，如图9所示为零件特征数据库。

图9 零件特征数据库

为减少系统的计算量，提高产品的研发效率，需删除此模型上所有的刀具及其刀座。由于盾构机在掘进过程中，刀具受力是十分重要的部分，因此删除刀具及刀座后需对模型进行力学等效评价。为满足力学平衡，将刀具的受力转变为等效的压力，并作用于刀座与构件的接触区域。主要的刀具类型有以下两种：

1）耐磨条、耐磨网与保径刀 刀盘作圆周运动时，四周的耐磨条、耐磨网与保径刀会产生力，当刀具被删除后需将其转换为受力点并作用于刀具原来与构件的接触点。

2）切刀、撕裂刀与鱼尾刀 盾构机沿垂直于开挖掌子面的方向向前推进，切刀在切削的过程中会产生力，同时撕裂刀与鱼尾刀也会受到开挖掌子面给予的力，当刀具被删除后需在刀具原来的受力点处施加等效的力。

转换后的刀具受力等效示意图如图10所示（其中小黑圆点代表切刀、撕裂刀与鱼尾刀的受力点，箭头符号代表耐磨条、耐磨网与保径刀的受力点），删除刀具及其刀座的部分程序代码如下：

boolstatus=swDoc.Extension.SelectByID2（“刮刀@装配体2”，“COMPONENT”，0，0，0，true，0，null，0）；//选择刮刀

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

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

boolstatus=swDoc.Extension.SelectByID2（“耐磨块@装配体2”，“COMPONENT”，0，0，0，false，0，null，0）；

swDoc.EditDelete（）；//删除以上选择

图10 刀具受力等效示意图

有限元分析模型自动生成的实现方法是通过C#编程语言调用有限元分析软件ANSYS执行AP⁃DL命令流进行批处理，其中APDL语言是ANSYS软件自带的二次开发语言，调用的程序代码如下：

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

NSYS145软件的路径。

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

ua-i jianhua1.txt-o jh.log"；//设定工作文件的名称为jianhua，输入的命令流文件为jianhua1.txt，输出的文件为jh.log。

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

其中将APDL语言写入jianhua.txt文件中，其主要的代码如下：

/BATCH ！批处理模式

/GRA，POWER ！打开PowerGraph图形显示模式

WPSTYLE，，，，，，，，0 ！显示工作平面

～PARAIN，‘zhuangpei’，‘x_t’，，SOLIDS，0，0

！输入实现保存的“zhu

angpei.x_t”文件

/FACET，NORML ！由面生成体

ET，1，SOLID187 ！从单元库中定义SO

LID187单元

VATT，，，1，0 ！网格划分的单元设置为 SOL⁃ID187

VMESH，ALL ！对整个模型进行网格划分

盾构刀盘有限元分析模型的自动构建系统是通过模型的自动简化和ANSYS、SolidWorks之间通用化的自动接口技术实现的，其不仅能在AN⁃SYS145软件中正确显示，简化后的模型也基本满足有限元分析的要求。由于刀盘结构非常复杂，因此采用四面体单元SOLID187进行自由网格划分，划分精度设定为7，划分后的单元总数为175375个，节点总数为380401个。网格划分后每个单元的质量检测结果如表1所示，其指标主要有Aspect Ratio（长宽比）、Maximum Angle（单元的最大内角）、Jacobian Ratio（雅各比）等，其中，长宽比是指单元最长边和最短边的比值，通过该表可以直观地看出各个质量检查指标只出现了少许的警告信息，为后期模型分析的准确性奠定了基础。如图11所示为自动生成的有限元分析模型。

表1 网格质量检查

图11 有限元分析模型

5 结语

本文主要研究盾构刀盘有限元分析模型自动构建的系统。当用户输入的几何模型参数发生变化时，系统自动对模型进行简化，并在ANSYS145软件中生成有限元分析模型，最终实现参数化设计与有限元分析一体化的功能。此系统生成有限元分析模型的效果与手动生成的效果相差无几，但其摆脱了传统手动简化几何模型的方法，增添了SolidWorks与ANSYS之间通用化的自动接口，有效地提高了有限元分析模型生成的效率，缩短了产品研发的周期，达到了设计过程中高效、方便、简洁的效果。