韓偉鋒，李鳳遠，王助鋒

(中鐵隧道集團有限公司盾構(gòu)及掘進技術(shù)國家重點實驗室，鄭州 450001)

0 引言

在新產(chǎn)品的研制過程中，70% ～80%的研發(fā)費用耗費于設(shè)計階段。因此，如何開發(fā)和研究先進的設(shè)計方法與工具，以提高產(chǎn)品設(shè)計的效率就顯得至關(guān)重要。參數(shù)化設(shè)計的關(guān)鍵是幾何約束關(guān)系的提取和表達、幾何約束的求解以及參數(shù)化幾何模型的構(gòu)造。20世紀70年代末及80年代初，英國劍橋大學(xué)的R.C.Hillyard和美國MIT大學(xué)的D.C.Gossard等率先將參數(shù)化設(shè)計用于CAD中;1985年，美國PTC公司首先推出參數(shù)化CAD系統(tǒng)Pro/Engineer。目前，雖然二維參數(shù)化設(shè)計技術(shù)已發(fā)展得較為成熟，在參數(shù)化繪圖方面已得到了廣泛應(yīng)用，但是，三維參數(shù)只能處理的面類型主要是軸線、平面和軸對稱面，能處理的約束類型還很有限［1－5］。由于計算機圖形處理技術(shù)的發(fā)展，針對機械設(shè)計的軟件功能越來越強大，如當(dāng)前使用較為廣泛的CATIA［6－7］，該軟件自身具備參數(shù)建模功能，且與 Visual Basic有直接接口［8］。

隨著國內(nèi)鐵路、城市地鐵等重大基建項目的開展，同時在施工過程中人們對環(huán)境保護的需求，盾構(gòu)已經(jīng)成為隧道工程施工的首選裝備。盾構(gòu)刀盤作為盾構(gòu)機最為核心的部件之一，在盾構(gòu)施工過程中開挖底層、支撐掌子面、攪拌渣土，其工作條件極其惡劣，受力復(fù)雜。盾構(gòu)刀盤性能的好壞將直接影響盾構(gòu)工作效率，因此在盾構(gòu)施工中對盾構(gòu)刀盤的可靠性要求特別高［9－10］。由于盾構(gòu)刀盤具有工作環(huán)境惡劣、可靠性要求高的特性，工程技術(shù)人員在設(shè)計刀盤時要反復(fù)地計算，即使是同一種類型的刀盤只是尺寸有所變化，也要重復(fù)做同樣的工作。但是，一旦工程合同簽訂后，為保證工程施工期，盾構(gòu)機設(shè)計時間要求一般都很緊張，為了減少盾構(gòu)刀盤的設(shè)計時間，可以采用刀盤參數(shù)化建模來解決該問題。

目前國內(nèi)雖然有一些關(guān)于盾構(gòu)刀盤建模軟件的介紹與開發(fā)，但是大多軟件都只限于滿足刀盤有限元分析即可。一般進行有限元分析的模型屬于簡化模型，不能直接用于實際的工程設(shè)計中［11－14］，設(shè)計人員在進行工程設(shè)計時仍然需要把刀盤重新細化設(shè)計。結(jié)合使用CATIA和Visual Basic進行盾構(gòu)刀盤建模軟件開發(fā)，該系統(tǒng)完成了盾構(gòu)刀盤90%以上的設(shè)計工作，刀盤基體和刀盤上的各種刀具分屬于不同本體，刀盤基體可以用于后續(xù)的刀盤結(jié)構(gòu)分析，而整個盾構(gòu)刀盤三維模型可以直接用于工程設(shè)計。

采用CATIA完成盾構(gòu)刀盤參數(shù)化建模后，通過Visual Basic封裝即可完成盾構(gòu)刀盤參數(shù)化建模系統(tǒng)的開發(fā)。通過該系統(tǒng)輸入關(guān)鍵的邊界條件，系統(tǒng)即可快速生成盾構(gòu)刀盤模型。由于在對盾構(gòu)刀盤參數(shù)化建模過程中已經(jīng)完成關(guān)鍵參數(shù)的計算，因此，根據(jù)邊界條件生成的刀盤模型各個方面的性能基本滿足設(shè)計要求。設(shè)計人員通過簡單的后處理即可快速完成刀盤的設(shè)計。

1 盾構(gòu)刀盤結(jié)構(gòu)

由于掘進地質(zhì)的差異，盾構(gòu)機的刀盤結(jié)構(gòu)形式種類繁多，但從根本上刀盤可以分為軟土掘進刀盤和復(fù)合地層掘進刀盤2類。一般軟土刀盤刀具較為簡單，刀盤只有切刀和面板組成，建模比較簡單;復(fù)合地層所用的刀盤較為復(fù)雜，刀盤在建模過程中分為前面板、刀盤外圈梁、邊滾刀、刀盤輻條、小三角面板、中心滾刀、小切刀、輻條上滾刀、加強筋、邊刮刀和牛腿。

2 盾構(gòu)刀盤建模種類

盾構(gòu)刀盤結(jié)構(gòu)較為復(fù)雜，在參數(shù)化建模過程中如果設(shè)置的變量條件太多，在建模過程中會很容易出錯，因此，根據(jù)刀盤的尺寸和結(jié)構(gòu)形式的不同，對刀盤建立不同的模型。建模完成后采用VB編程調(diào)用不同的模型即可完成不同參數(shù)盾構(gòu)刀盤的快速建模。

刀盤參數(shù)化建模模型:

1)按照掘進地層不同分為2種刀盤。①軟土掘進刀盤;②復(fù)合地層掘進刀盤。

2)考慮到運輸?shù)姆奖阈院蜐L刀的安裝，按照刀盤的尺寸分為以下幾種結(jié)構(gòu)。①6 m以下的小刀盤。由于空間位置的限制，邊滾刀的數(shù)量不能安裝的太多，可以適當(dāng)增加邊滾刀的間距來減少邊滾刀的數(shù)量。②6～8 m的中型刀盤。根據(jù)實際空間位置限制和經(jīng)驗設(shè)計，邊滾刀的數(shù)量可取11～12把，邊滾刀間距從刀盤外圓向內(nèi)按照等差數(shù)列從0遞增到80 mm。③8 m以上的大型刀盤。為了運輸?shù)姆奖?，需要把刀盤分塊建立，邊滾刀的數(shù)量也可以適當(dāng)增加，減小刀間距，增加邊滾刀的使用壽命。

通過刀盤分類可知，如果要完成盾構(gòu)建模需要建立6類盾構(gòu)刀盤模型。當(dāng)然也可以只建立軟土刀盤、復(fù)合地層刀盤和硬巖刀盤3種模型，但是這種建模方式在建模過程中會增加參變量的數(shù)量和建模復(fù)雜程度。采用VB編程建立索引調(diào)用6類盾構(gòu)刀盤模型即可完成整個盾構(gòu)刀盤的建模。

3 刀盤建模參數(shù)

刀盤參數(shù)化建模并不是把所有的尺寸、數(shù)據(jù)和角度都參數(shù)化，否則由于參數(shù)太多，而普通的工程設(shè)計人員又不太清楚各個參數(shù)的意義以及各個參數(shù)與其他參數(shù)之間的關(guān)聯(lián)性，在輸入?yún)?shù)的過程非常容易出錯。即使在建模過程把各個參數(shù)的意義標(biāo)定出來，由于參數(shù)的量太大，在輸入?yún)?shù)的過程中也是容易出錯的。所以，在參數(shù)化建模過程中必須先選定刀盤的關(guān)鍵參數(shù)，然后把不關(guān)鍵的數(shù)據(jù)使用已知的關(guān)鍵參數(shù)關(guān)聯(lián)、幾何關(guān)系約束和固定個別無關(guān)緊要的參數(shù)等。根據(jù)研究，刀盤的關(guān)鍵參數(shù)有刀盤直徑、刀盤筋板厚度、前面板厚度、中心滾刀間距、輻梁上滾刀間距和開口率等。

4 刀盤參數(shù)化建模

以適合復(fù)合地層掘進的海瑞克S261盾構(gòu)刀盤結(jié)構(gòu)為例，該刀盤為直徑在6～8 m復(fù)合地層刀盤的典型結(jié)構(gòu)。其具體建模過程可以分為刀盤基體建模、各種刀具刀箱建模和把刀箱刀具安裝到刀盤基體上3部分。

4.1 刀盤基體建模

1)把刀盤直徑、刀盤厚度、前面板厚度、后面板厚度、筋板厚度、刀具相關(guān)主要尺寸、刀盤開口率、中心刀間距、邊滾刀遞增間距、邊滾刀與掘進方向角度、輻條上滾刀間距、小切刀起始半徑、小切刀刀間距、安裝小切刀輻條兩側(cè)筋板的夾角和牛腿等相關(guān)主要參數(shù)輸入到CATIA參數(shù)包內(nèi)，以供建模過程中調(diào)用，如圖1(a)所示。

2)設(shè)計出各種滾刀軌跡，各種類型刀具的軌跡采用不同的線型表示，如圖1(b)所示。該種結(jié)構(gòu)刀盤在6～8 m范圍內(nèi)變化，可以初步考慮為邊滾刀數(shù)量不變。因為邊滾刀的主要作用一方面是讓盾構(gòu)的掌子面與盾體側(cè)面有個過渡圓角，而不致于使掌子面和盾體側(cè)面變化太過于突然，另一方面是由于刀具安裝空間位置的限制，如果沒有邊滾刀，掌子面上所有滾刀的刀刃是到不了盾體的邊緣的。所以在6～8 m的直徑范圍邊滾刀的數(shù)量和刀間距都可以作為定值不變，而只需要其位置隨刀盤直徑的變化而變化。

3)根據(jù)已經(jīng)完成的刀具軌跡線，完成邊滾刀和中心滾刀刀箱的安裝基體建模。在建模過程中邊滾刀刀箱安裝基體的傾斜角度按照邊滾刀與掘進方向的傾斜角度設(shè)定，中心滾刀與輻條上的正滾刀導(dǎo)向安裝基體與掘進方向平行，如圖1(c)所示。

4)添加輻條筋板及刀盤的各種加強筋，如圖1(d)所示。

5)外圈梁及前后面板建模，如圖1(e)所示。

6)牛腿及主軸承連接法蘭盤建模，如圖1(f)所示。

4.2 各種刀具刀箱建模

完成雙刃滾刀、單刃滾刀、切刀、邊刮刀和刀箱的建模，所有刀具為標(biāo)準(zhǔn)模型，不存在參數(shù)化問題，可以把不同類型和不同型號的刀具作為標(biāo)準(zhǔn)件存放在模型庫內(nèi)，以供不同需求來調(diào)用，各種刀具模型如圖2所示。

圖2 各種刀具模型Fig.2 Models of different cutting tools

4.3 刀具刀箱與刀盤基體裝配

在CATIA裝配模式下通過調(diào)用模型庫內(nèi)的刀具與刀箱，完成各種刀具刀箱與刀盤基體的參數(shù)化裝配。在裝配過程中所有零部件的相對位置均采用參數(shù)化安裝。邊滾刀為單體刀，連同其刀箱一起安裝在已經(jīng)設(shè)計好的邊滾刀安裝基體內(nèi)。由于隨著刀盤直徑或者刀間距的變化，輻條上的滾刀數(shù)量在不斷變化，輻條上的滾刀采用極坐標(biāo)方式定位，每把滾刀由一角度參數(shù)和一軸向尺寸定位，這樣輻條上的正滾刀數(shù)量可以隨著刀盤直徑和刀間距的變化而變化。

5 建模系統(tǒng)的封裝

運用CATIA完成盾構(gòu)刀盤參數(shù)化建模后，把所有參數(shù)輸出到EXCEL表格內(nèi)，并且與CATIA內(nèi)部參數(shù)名稱相關(guān)聯(lián)。EXCEL表格內(nèi)的數(shù)據(jù)與CATIA主程序中已經(jīng)編制完成的盾構(gòu)刀盤的各個數(shù)據(jù)一一相對應(yīng)且相關(guān)，CATIA主程序中的參數(shù)與EXCEL表格內(nèi)的數(shù)據(jù)有一個地方的數(shù)據(jù)有改動，另外一個地方的數(shù)據(jù)也會有相應(yīng)的變化，且整個盾構(gòu)刀盤模型會隨著新數(shù)據(jù)進行更新變換。

盾構(gòu)刀盤各個參數(shù)關(guān)系編輯采用CATIA完成，對建模系統(tǒng)的封裝采用Visual Basic完成。軟件封裝的主要過程為通過VB編寫程序啟動CATIA，然后軟件自動調(diào)用已經(jīng)建好的模型。軟件輸入窗口的文本框和已經(jīng)完成的EXCEL表格相關(guān)聯(lián)，改變軟件輸入窗中文本框的內(nèi)容可以改變EXCEL表中的數(shù)據(jù)，EXCEL表中的數(shù)據(jù)又會改變CATIA主程序的參數(shù)，最后整個模型會根據(jù)軟件輸入窗口中的數(shù)據(jù)而改變。盾構(gòu)刀盤建模軟件的數(shù)據(jù)控制思路如圖3所示。

6 實例驗證

廣州地鐵五號線三魚文隧道所使用的海瑞克S261盾構(gòu)機刀盤，見如圖4。該刀盤直徑6 280 mm，刀盤厚度550 mm，中心刀間距90 mm，數(shù)量8把;輻梁上正滾刀刀間距100 mm，前面板厚度60 mm，筋板厚度40 mm。以該刀盤為例，完成封裝后刀盤參數(shù)化建模系統(tǒng)的參數(shù)設(shè)計界面，如圖5所示，輸入刀盤的各個參數(shù)。圖6為系統(tǒng)更新再生后的刀盤模型，從分析軟件對刀盤各個部位的分析結(jié)果來看，其各個部位的設(shè)計均符合實際要求。

7 結(jié)論與討論

采用盾構(gòu)刀盤參數(shù)化建模系統(tǒng)快速生成盾構(gòu)刀盤模型不僅可以用于刀盤結(jié)構(gòu)分析，而且可以直接用于工程設(shè)計中，很大程度上減少盾構(gòu)機設(shè)計人員的勞動強度和加快盾構(gòu)機設(shè)計速度。通過對盾構(gòu)刀盤快速建模軟件開發(fā)的介紹，工程設(shè)計人員可以根據(jù)盾構(gòu)刀盤參數(shù)化建模方法結(jié)合在開發(fā)設(shè)計過程中所遇到的設(shè)計共性問題，完成其他關(guān)鍵零部件的二次開發(fā)設(shè)計。該建模方法雖然可以完成機械裝備關(guān)鍵零部件二次開發(fā)設(shè)計工作，但該方法做出二次開發(fā)程序在軟件封裝過程中主要是采用程序調(diào)用方式完成的，所以在二次開發(fā)程序的使用過程中所有CATIA主模型的程序文件存放路徑不能改變，否則在程序調(diào)用過程中將會出現(xiàn)文件丟失。希望工程人員在使用該方法進行二次開發(fā)過程中可以克服該問題。

［1］ 孟祥旭.參數(shù)化設(shè)計研究［J］.計算機輔助設(shè)計與圖形學(xué)學(xué)報，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］ 顧曉華.基于知識工程的參數(shù)化設(shè)計［J］.機械設(shè)計與制造工程，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］ 金建國.參數(shù)化設(shè)計綜述［J］.計算機工程與應(yīng)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.基于知識工程的參數(shù)化設(shè)計應(yīng)用研究［J］.機械設(shè)計與制造，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］ 徐洪濤.基于VB和SolidWorks的螺旋管道參數(shù)化設(shè)計與流阻特性分析［J］.機電工程，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應(yīng)用教程:從機械設(shè)計到產(chǎn)品設(shè)計［M］.北京:水利水電出版社，2010:1－200.

［7］ 詹熙達.CATIA V5產(chǎn)品設(shè)計實例教程［M］.北京:機械工業(yè)出版社，2008:62－80.

［8］ 楊本倫.Visual Basic開發(fā)技術(shù)大全［M］.北京:清華大學(xué)出版社，2010:3－115.

［9］ 王強.盾構(gòu)刀盤虛擬樣機優(yōu)化設(shè)計與研究［J］.礦山機械，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］ 劉守法.新型盾構(gòu)機刀盤設(shè)計與有限元分析［J］.機械設(shè)計與制造，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］ 陳饋.盾構(gòu)刀盤參數(shù)化自動建模與優(yōu)化設(shè)計［J］.建筑機械化，2011(1):1－5.

［12］ 王強.盾構(gòu)刀盤虛擬樣機仿真技術(shù)研究與分析［J］.工程機械，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.小型盾構(gòu)刀盤有限元建模與分析［J］.制造業(yè)自動化，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］ 陳饋.盾構(gòu)刀盤的有限元參數(shù)化建模及其分析［J］.隧道建設(shè)，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))