CN112149257A - 一种基于apdl语言的复合式盾构机刀盘的参数化建模方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开一种基于APDL语言的复合式盾构机刀盘的参数化建模方法，刀盘系统由刀盘结构和布置的各种刀具组成，刀盘结构由辐条、辐板、中心板、扭腿、支撑法兰组成，刀具可以分为刮刀、滚刀、贝壳刀、撕裂刀等。定义能够反映刀盘结构与刀具位置的相关参数，并对刀具位置参数进行可行性检测，随后利用这些参数编制刀盘参数化建模的命令流程序，在ANSYS环境下输入参数并运行此程序即可得到刀盘的有限元模型，然后编写对此刀盘进行有限元静力学分析的命令流程序。本发明能够实现复合式盾构机刀盘结构的自动化创建与刀具的自动化布置，为刀盘系统的有限元仿真、刀具的优化布局以及刀盘结构的优化设计提供了基础模型。

Description

一种基于APDL语言的复合式盾构机刀盘的参数化建模方法
技术领域
本发明属于隧道盾构机的设计与制造领域，具体的领域为盾构机刀盘的参数化设计方法。
背景技术
随着国民经济的发展以及科学技术的进步，人们对地下空间的利用越来越多，铁路公路、矿山隧道、城市地铁等地下工程的建设都将成为我国建设投资的重点之一。进入21世纪以来，随着城镇化的发展，城市的人口体量在逐渐增大，这就使得城市对地铁的需求量在与日俱增，根据中国城市交通统计报告，截至2019年底，中国大陆共有40座城市开通轨道交通，运营线路208条，其中地铁运营线路占比76.9％，居世界首位。在未来几年里，地铁项目的投资额仍然保持在高位水平。
伴随着工业化的发展，盾构掘进机已广泛用于地铁、铁路、公路、市政、水电等隧道工程，目前，我国共有1000台左右的盾构机投入使用，每年都会有几十台的盾构机需要更新。在盾构机进行盾构施工的过程中，其刀盘的力学性能对整个施工效率有着很大的影响，限于盾构施工的复杂性，以往模型试验、现场检测以及理论推导等方式都不能给盾构机刀盘力学性能的评估提供全面的参考。随着计算机技术的发展，利用有限元数值模拟的方式开展刀盘掘进过程动态数值仿真以及静动力学强度仿真对刀盘力学性能的评估具有重要的意义。在建立复合式盾构机刀盘有限元模型时，刀具的种类多以及刀盘结构的复杂性导致了建立模型的工作量很大，在设计阶段如果模型需要修改，则重新建立刀盘有限元模型时需要调整的地方很多，费时费力，模型的重复利用率低。因此研究刀盘的参数化建模方法早已成为本行业的急需。
发明内容
本发明的目的是为了克服现有技术中的不足，在进行刀盘掘进仿真以及静动力学强度仿真时，为了能够快速地建立刀盘系统的有限元模型，基于APDL(ANSYS parametricdesign language)语言提出了一种复合式盾构机刀盘的有限元参数化建模方法，为刀盘的有限元分析和优化设计提供基础模型。
本发明的目的是通过以下技术方案实现的：
一种基于APDL语言的复合式盾构机刀盘系统的参数化建模方法，刀盘系统包括刀盘结构和刀具，其特征在于，参数化建模方法能够自动生成刀盘系统的三维实体模型和有限元模型，具体包括以下步骤：
(1)定义组成刀盘结构的辐条、辐板、中心板、扭腿、支撑法兰的几何特征参数，包括辐条、辐板、中心板、扭腿的长度方向尺寸和宽度方向尺寸，支撑法兰的内径和外径尺寸，以及上述辐条、辐板、中心板、扭腿、支撑法兰各结构所采用的钢板的厚度参数；
(2)定义包括刮刀、滚刀、先行刀在内的刀具的位置信息，包括每把刀的环向坐标，径向坐标和高度坐标，并以每把刀具是否出现干扰和是否超出辐条的边界为依据进行参数可行性检测；所述先行刀包括撕裂刀、贝壳刀；
(3)基于APDL语言，利用上面步骤(1)、(2)所定义的参数，编写命令流程序来进行刀盘结构的参数化建模，首先创建刀盘结构模型，再创建滚刀与先行刀模型，将滚刀与先行刀按所定义的刀具位置参数装配到刀盘结构上，刮刀的建模是按所定义的刀具位置参数在辐条的外缘处创建与装配；最后对得到的刀盘系统进行网格划分得到刀盘系统的有限元模型；
(4)得到刀盘系统的有限元模型之后，基于APDL语言编写命令流程序进行边界条件的施加，根据刀盘的设计载荷在刀盘面板上施加压力，刀盘的扭矩施加在刀盘面板的每把滚刀上；根据上述步骤建立刀盘系统的有限元模型并对刀盘系统进行静力学分析，将计算得到的应力和位移结果结果与实际检测结果相比较以验证建模方法的可靠性。
与现有技术相比，本发明的技术方案所带来的有益效果是：
本发明基于APDL语言提出了复合式盾构机刀盘的参数化建模方法，该方法首先通过定义刀盘结构特征参数以及刀具位置参数，能够很好的反映出刀盘系统的具体特征，其次通过刀具位置参数的合理性检验能够避免用户输入一些不合理的参数导致建模失败，最后基于APDL语言开发出刀盘系统的参数化建模程序，该程序能够高效率、高质量地建立出刀盘系统的参数化模型，且面板上面可以自由的布置各类刀具。此方法为刀盘系统的有限元仿真、刀具的优化布局以及刀盘结构的优化设计提供了基础模型。
附图说明
图1为本建模方法适用的复合式盾构机刀盘结构示意图。
图2是辐条的二维特征截面图。
图3是辐板的二维特征截面图。
图4是中心刀结构图。
图5是刀盘三维实体模型图。
图6是刀盘的有限元模型图。
具体实施方式
以下结合附图和具体实施例对本发明作进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。
本方法适用的刀盘系统如图1所示，刀盘系统主要包括辐条、辐板、中心刀、底座和刀具等结构，以图1所示刀盘系统为例具体说明整个刀盘系统的创建过程。
步骤1：如图2-4所示为刀盘结构各个结构部件，首先分析和定义组成刀盘结构的辐条、辐板、中心板、扭腿、支撑法兰的特征尺寸，这些尺寸主要包括辐条、辐板、中心板、扭腿的长度方向尺寸和宽度方向尺寸，支撑法兰内径和外径，以及上述结构的板的厚度。在ANSYS中利用APDL语言将上述各个参数设置成可变的变量，并将其保存为宏文件格式以便后续程序调用。
步骤2：分析和定义了包括刮刀、滚刀、撕裂刀、贝壳刀在内的刀具的位置信息，包括每把刀的环向坐标，径向坐标和高度坐标，将每把刀具的位置信息存放在二维数组中，并基于APDL语言，以每把刀具是否出现干扰和是否超出辐条边界为依据进行参数可行性检验。刀具是否出现干涉主要是通过判断两个矩形是否存在相交的边界线。判断刀具是否超出刀盘面板的边界主要是通过判断刀座边界线与刀盘边界线是否存在相交的情况。
步骤3：基于APDL语言，利用上面步骤(1)、(2)所定义的参数进行刀盘结构的参数化建模，主要建模步骤为先创建刀盘结构模型，再创建单个滚刀与先行刀模型，滚刀的建模是先建立其旋转截面，再旋转生成整个滚刀，先行刀的建模与之类似，将滚刀和先行刀按事先定义的位置参数数组装配到刀盘结构上去，装配的方式是先将单个刀具复制到刀盘结构的指定位置，再将刀盘结构和每把刀具进行粘接操作；对于刮刀的建模是在辐条的外缘处创建与装配。刀盘结构建模的具体方式是先建立刀盘各结构的二维平面，如图2图3所示，然后将其拉伸成刀盘结构的部分三维模型，得到刀盘的部分三维模型后，再沿着环向进行复制以得到刀盘结构的整体三维模型。最后对得到的刀盘系统进行网格划分。所得到的刀盘的几何模型与有限元模型如图5-6所示。
步骤4：按照上述步骤建立好有限元模型后，编写命令流程序进行边界条件的施加，首先根据位置信息选择出刀盘扭腿支撑处的节点，施加全位移约束，然后再根据节点的位置信息选择出刀间部分的节点，给这部分节点施加法向力和切向力载荷。最后进行静力学强度分析，将计算所得应力和位移结果与实际刀盘检测结果相比对以验证方法的正确性。
本发明基于APDL语言提出了复合式盾构机刀盘的参数化建模方法，能够高效率、高质量地建立出刀盘的参数化模型，且面板上面可以自由的布置各类刀具。为刀盘系统的有限元仿真、刀具的优化布局以及刀盘结构的优化设计提供了基础模型。
本发明并不限于上文描述的实施方式。以上对具体实施方式的描述旨在描述和说明本发明的技术方案，上述的具体实施方式仅仅是示意性的，并不是限制性的。在不脱离本发明宗旨和权利要求所保护的范围情况下，本领域的普通技术人员在本发明的启示下还可做出很多形式的具体变换，这些均属于本发明的保护范围之内。

Claims (1)

1.一种基于APDL语言的复合式盾构机刀盘系统的参数化建模方法，刀盘系统包括刀盘结构和刀具，其特征在于，参数化建模方法能够自动生成刀盘系统的三维实体模型和有限元模型，具体包括以下步骤：
(1)定义组成刀盘结构的辐条、辐板、中心板、扭腿、支撑法兰的几何特征参数，包括辐条、辐板、中心板、扭腿的长度方向尺寸和宽度方向尺寸，支撑法兰的内径和外径尺寸，以及上述辐条、辐板、中心板、扭腿、支撑法兰各结构所采用的钢板的厚度参数；
(2)定义包括刮刀、滚刀、先行刀在内的刀具的位置信息，包括每把刀的环向坐标，径向坐标和高度坐标，并以每把刀具是否出现干扰和是否超出辐条的边界为依据进行参数可行性检测；所述先行刀包括撕裂刀、贝壳刀；
(3)基于APDL语言，利用上面步骤(1)、(2)所定义的参数，编写命令流程序来进行刀盘结构的参数化建模，首先创建刀盘结构模型，再创建滚刀与先行刀模型，将滚刀与先行刀按所定义的刀具位置参数装配到刀盘结构上，刮刀的建模是按所定义的刀具位置参数在辐条的外缘处创建与装配；最后对得到的刀盘系统进行网格划分得到刀盘系统的有限元模型；
(4)得到刀盘系统的有限元模型之后，基于APDL语言编写命令流程序进行边界条件的施加，根据刀盘的设计载荷在刀盘面板上施加压力，刀盘的扭矩施加在刀盘面板的每把滚刀上；根据上述步骤建立刀盘系统的有限元模型并对刀盘系统进行静力学分析，将计算得到的应力和位移结果与实际检测结果相比较以验证建模方法的可靠性。
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