易鑫，王燕濤，姜稀臏

（煙臺大學(xué)機電汽車工程學(xué)院，山東 煙臺 264000）

引言

隨著城市化程度的不斷提高，人們對地下空間的需求也越來越大，TBM作為地下空間長距離開發(fā)設(shè)備越來越得到重視，而刀盤作為TBM最前沿的部件是整個TBM中最重要的設(shè)備。由于 TBM 尺寸較大，運輸加工困難，一般都不是一個連續(xù)的整體，而是采用分體設(shè)計制造、現(xiàn)場組裝的方法進行設(shè)計制造。為準(zhǔn)確分析分體考慮刀盤結(jié)合面的刀盤靜動態(tài)性能，本文通過建立刀盤有限元模型，利用有限元分析及實驗驗證，得出刀盤的建模方式并應(yīng)用于 TBM 刀盤靜動態(tài)特性分析研究。

1 刀盤模型建立及實驗

1.1 刀盤模型建立

螺栓結(jié)合面建模方法有很多，常見的有直接固連法、接觸單元法、彈簧阻尼單元法以及虛擬材料法。本文將采用精度更高的虛擬梯度材料法。虛擬梯度材料法[1]是將等效為一層虛擬材料，且將材料均勻的劃分成若干份，考慮螺栓分布導(dǎo)致的實際壓強分布不均勻的影響，建立螺栓結(jié)合面模型。

焊縫建模時在workbench中導(dǎo)入模型后設(shè)置焊縫材料為E5015焊條，參數(shù)如表所示[3]：

按上述結(jié)合面的建模方法建立刀盤模型，如圖1所示：

1.2 刀盤模態(tài)實驗及分析

根據(jù)縮尺刀盤的三維模型圖，在 AutoCAD中建立縮尺刀盤的二維圖紙，進行縮尺刀盤的實物加工制造。對加工所得的刀盤進行振動模態(tài)試驗，在進行模態(tài)實驗之前，需要在LMS分析軟件中建立實驗對象的三維模型，分別對刀盤進行模態(tài)試驗。連接完相應(yīng)的實驗器材之后，需要通過錘擊測試對各器件的參數(shù)進行設(shè)置。錘擊測試中需要設(shè)置的參數(shù)包括：傳感器的靈敏度、電荷放大倍數(shù)、采樣頻率和采樣點數(shù)、信號窗函數(shù)選擇等。刀盤實驗現(xiàn)場圖如圖2所示：

表1 E5015焊條參數(shù)

圖1 縮尺刀盤三維模型及栓焊結(jié)合面模型

圖2 刀盤模態(tài)實驗現(xiàn)場圖

采集完實驗數(shù)據(jù)之后，需要用LMS測量軟件中的Modal Analysis模塊進行進一步的分析，通過軟件分析得出的頻響函數(shù)，選取出穩(wěn)定的振動點，從而得到各階模態(tài)的頻率、阻尼以及振型等信息。仿真及實驗固有頻率結(jié)果對比如表2所示：

表2 仿真實驗固有頻率結(jié)果對比

由仿真實驗固有頻率結(jié)果可得：仿真結(jié)果趨勢基本一致，誤差控制在 3%以內(nèi)，說明建模方式的準(zhǔn)性。低階模態(tài)的仿真結(jié)果與實驗結(jié)果誤差相對來說較大，第四階模態(tài)的固有頻率與實驗最接近。

2 刀盤靜動態(tài)特性分析

2.1 刀盤受力加載

刀盤上每個滾刀受三個互相垂直的力法向推力Fv、切向力Fr以及側(cè)向力Fs，原刀盤受力在第一章第一節(jié)中給出，由于切向力Fr相對法向力Fv和側(cè)向力Fs來說太小，可以忽略不計，因此每個滾刀都受到兩個力的作用。由于省略了滾刀的結(jié)構(gòu)，因此在刀盤受力加載時，把滾刀所受法向力和切向力加載在刀座上刀盤中心部分為4把刀受力在一個刀座上，因此刀盤共需要加載96個力，在ANSYS workbench中通過添加力，得到刀盤受力。

圖3 刀盤受力

2.2 刀盤靜態(tài)特性分析

ANSYS Workbench整合了 ANSYS各向主要產(chǎn)品的優(yōu)勢，具有功能強大且易于使用的特點。在ANSYS workbench中對刀盤進行靜態(tài)特性分析，設(shè)置邊界條件，選擇刀盤后部法蘭盤為固定約束，將虛擬梯度材料的網(wǎng)格設(shè)置為0.005，刀盤的網(wǎng)格設(shè)置為0.008。網(wǎng)格劃分采用六面體為主導(dǎo)的網(wǎng)格劃分方法（hex dominant），對刀盤進行靜力學(xué)分析。通過仿真得到刀盤總應(yīng)變、等效應(yīng)力和等效彈性應(yīng)變，如圖4所示。對刀盤進行靜力學(xué)分析，通過仿真可得刀盤靜剛度，由圖可得中心處的刀盤承受大扭矩，為刀盤應(yīng)變最大變形處，最大等效應(yīng)力為 3.3239×107Pa，最大應(yīng)變?yōu)?3.6469×10-4m。因此對于分體式 TBM 刀盤，其中心處剛度較差，工作時易變形，較為危險，需要加強設(shè)計。

圖4 縮尺刀盤靜力學(xué)分析

2.3 刀盤動態(tài)特性分析

表3 刀盤頻響曲線

對刀盤的動態(tài)特性分析包括模態(tài)分析以及諧響應(yīng)分析。在Ansys Workbench中，可利用Modal模塊對縮尺刀盤模型進行模態(tài)分析，在上一節(jié)中已經(jīng)對刀盤進行模態(tài)分析，這里不再贅述。在Ansys Workbench中，可利用Harmonic Response模塊對縮尺刀盤模型進行諧響應(yīng)分析。在刀盤的工作過程中，刀盤的振動會極大程度的影響到加刀盤的工作效率與壽命，因此，本研究中，簡諧載荷作用的施加點和響應(yīng)的拾取點均為刀盤表面中心點處。為了體現(xiàn)出各方向的簡諧激勵對刀盤各方向振動情況的影響程度，

故仿真過程中，在表面分別施加 X、Y、Z三個方向的簡諧激勵，同時也分別拾取砂輪三個方向的響應(yīng)。結(jié)果如表3所示。

由表可得，最大位移都發(fā)生在300Hz左右，x方向幅值為1.4342×10-4m，y方向幅值為1.6532×10-3m，z方向幅值為1.4555×10-4m，可見，通過諧響應(yīng)仿真得到的該磨床三個方向的動剛度，相比之下Y方向的剛度較差，是機床中比較薄弱的環(huán)節(jié)，同時，諧響應(yīng)峰值大部分集中發(fā)生在 150Hz與300Hz，這意味著刀盤的工作頻率應(yīng)盡量避開這兩處的頻率。

3 結(jié)語

文章運用三維建模軟件 Solidworks 和有限元軟件ANSYS，考慮栓焊結(jié)合面剛度特性的影響，對TBM刀盤進行建模及模態(tài)實驗，驗證建模方式的準(zhǔn)確性。并且通過仿真研究刀盤的靜動態(tài)特性，找出刀盤的薄弱環(huán)節(jié)，對TBM刀盤開發(fā)設(shè)計具有一定的參考價值，節(jié)省了樣機試制耗費的時間、材料和管理成本，縮短了項目的研發(fā)周期。

參考文獻

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[2] Liao, J.P, et al., Interface contact pressure-based virtual gradient material model for the dynamic analysis of the bolted joint in ma-chine tools. Journal of Mechanical Science and Technology, 2016.30(10): p. 4511-4521.

[3] 王勇哲.栓焊并用連接結(jié)構(gòu)疲勞壽命分析[J].機械科學(xué)與技術(shù),2017(02):172-177.

[4] 田紅亮等.引入各向同性虛擬材料的固定結(jié)合部模型[J].振動工程學(xué)報, 2013(04):561-573.

[5] 仇桂勇.土壓平衡式盾構(gòu)機刀盤性能仿真分析與多目標(biāo)優(yōu)化設(shè)計技術(shù)研究[D].浙江大學(xué), 2010,1.