第 1 章 绪论
1.5 本章小结
1) 简要介绍 TBM 的基本类型，使用范围以及工作原理，提出了开展 TBM 建模研究的必 要性。
2) 论述了 TBM 建模的相关研究内容和研究方法现状，分析并指出了 TBM 建模技术中的 不足之处。
3) 提出了本课题的研究目标及意义，并归纳了本论文的主要研究内容和研究方法。
摘要：本章主要内容为基于界面（或人机交互）的 TBM 虚拟样机建模。首先通过对 TBM 主机机构的分析确定出拓扑结构；利用 SolidWorks 绘制出主机机构的三维零件和装 配体模型；通过模态中性文件模拟围岩与盾体之间的相互作用；最后在 ADAMS 下建立各 部件之间的连接约束，完成 TBM 虚拟样机的建模。
2.1 TBM 主机拓扑结构分析
机构拓扑结构（Topology Structure of Mechanism）在传统机构学中是指机构中构建和 运动副的类型、数目、以及构建和运动副之间的邻接和附随关系，包括机构中所有元素、
方位关系、自由度、约束状况等信息[43]。
实际的 TBM 机构非常复杂，各种零部件组成结构非常多。为了便于虚拟样机建模，首 先我们必须对 TBM 机构进行分析，在此基础上进行适当的机构简化，提取出能反映 TBM 主机机构之间相互连接的拓扑结构，以及 TBM 和岩石之间负载的耦合关系。以此作为下 一步虚拟样机建模的基础。
本文选取有一对水平支撑的敞开式 TBM 为建模对象，开敞式 TBM 主机构造如 图 2.1[5]。
图 2.1 敞开式 TBM 主机构造
通过实际施工现场调研和查阅相关参考书籍我们得到了一对水平支撑 TBM 的结构形 式，它主要包括主机和后配套系统。这里我们重点考察主机系统中的刀盘驱动系统，推进 系统，撑靴系统，扭矩液压缸系统，以及鞍架系统。
推进和撑靴系统是 TBM 的重要部件，主要为 TBM 提供推进力和承受刀盘传递过来 的支反力和反力矩。
推进缸的连接推进缸的活塞杆端通过销轴连接在主梁上如图 2.2[5]，另一段也通过销 轴连接在撑靴上如图 2.3。
图 2.2 推进缸主梁连接 图 2.3 推进缸撑靴连接
十字销轴允许连接的两端（推进缸-主梁/推进缸-撑靴）有两个相互转动自由度。保证 主梁在推进缸推进下正常掘进不发生干涉。
主梁和机头架的连接主梁通过螺栓固定在机头架上，机头架内部安装有主轴承，刀盘 安装在主轴承上。TBM 掘进工作时，刀盘上的滚刀在刀盘带动下挤压和切割岩石，刀盘 接受岩石传递过来的反作用力和阻力矩。可以将这一部分机构看做是刀盘直接通过旋转 副连接在主梁上，刀盘主驱动以及滚刀机构的质量和转动惯量等效到刀盘上。
撑靴机构的连接撑靴结构主要由撑靴、撑靴缸、鞍架、扭矩缸以及十字销轴结构组成。
撑靴系统如图 2.4[5,44]所示。
撑靴缸是由左右两部分组成，中间焊接在一起的，两侧分别连接到撑靴块上。从图中 可知撑靴缸和撑靴块之间主要通过撑靴缸活塞杆上的球面零件连接在一起；此外，为了保 证撑靴块的小幅调整以紧密贴合在岩壁上，撑靴缸和撑靴块之间还有一组伸缩液压缸。我 们可以将撑靴缸和撑靴之间的连接理解为球副。
此外撑靴缸每一侧还通过一组两个扭矩缸挂接在鞍架结构上，扭矩缸和鞍架的连接 可以看作是球副，扭矩缸和撑靴缸的连接也可以看作是球副。鞍架机构则通过导轨连接在 主梁上。导轨安装在主梁上。鞍架和撑靴缸之间还通过一个叫十字销轴的机构进行浮动连
(a) 横断面图 (b) 俯视图 图 2.4 撑靴系统结构
接。十字销轴的结构如图 2.5所示
(a) 轴侧图 (b) 正视图
图 2.5 十字销轴
十字销轴结构包括相互交叉成“十字”的两个销轴以及中间的连接球，其中正视图中 竖直的销轴通过螺栓固定在撑靴缸上，水平的销轴两端通过球轴承连接在鞍架的前后两 侧。中间球形零件和固定销轴可以相对上下移动，球形零件与水平销轴可以有三个自由度 相互转动。
通过以上分析我们可以确定 TBM 主机机构的拓扑结构如图 2.6所示
上图中，刀盘和主梁之间通过旋转副连接；推进缸和主梁之间通过可以有两个相互垂 直的转动副连接，分别有左右两组 4 个推进缸。推进缸另一段也通过两个相互垂直的转 动副连接在撑靴上。撑靴和撑靴缸之间通过球副连接。撑靴缸和鞍架之间有两个支路，一 条是通过十字销轴连接，另一条是通过扭矩缸连接。鞍架和主梁之间同过导轨的移动副连
图 2.6 TBM 主机拓扑结构图
接，最后得到的完整约束关系如表 2.1。
此外主机机构和外界岩石的作用体现在撑靴块撑紧在岩壁上，包围刀盘的护盾和围岩 贴合在一起接受挤压力和摩擦力，刀盘和掌子面之间通过滚刀受力建立连接，此外到盘面 还收到岩石摩擦力的作用。
2.2 TBM 主机三维造型
在确定了 TBM 主机主要结构之后，需要使用三维造型软件表示出零件的三维几何信 息，质量，转动惯量，以及零件之间的装配位置等重要信息。
目前市面上的三维造型软件有很多，如 SolidWorks，UG(Unigraphics NX)，CATIA，
Pro/Engineer 等都能实现我们需要的预期功能。综合考虑软件操作的难以程度和软件接口 的支持性，我们选择 SolidWorks 软件进行三维造型。
在建模过程中我们并没有按照零件的实际外形详细特征进行造型，一方面实际零件外 形特征比较复杂，有一些尺寸不易获得，另外，对于机构的虚拟样机动力学分析来说，我 们只需要获得零部件的几何轮廓尺寸，主要是各铰链连接点之间的相对位置关系，以及质 量和转动惯量等信息。因此不必要绘制出详细的几何特征。实际绘制的零部件都是经过简 化的零件实体，如图 2.7是对推进液压缸的简化，这样就能在反映出主要装配体信息的同 时还能节省大量工作，适当的简化实体是合理且必要的。
采用自下而上的建模方法，即由点线面逐渐生成体的方法进行零件三维特征造型，完 成所有零件造型之后，按照零部件之间的相对位置进行装配，最后得到 TBM 主机的装配
表 2.1 TBM 约束列表
物体 1 物体 2 运动副
刀盘 主梁 转动副
推进缸有杆腔 前连接销轴 转动副
推进缸无杆腔 推进缸有杆腔 移动副
推进缸无杆腔 后连接销轴 转动副
后连接销轴 撑靴块 转动副
撑靴块 撑靴缸无杆腔 球副
撑靴缸无杆腔 撑靴缸有杆腔 移动副
撑靴缸无杆腔 扭矩缸无杆腔 球副
扭矩缸无杆腔 扭矩缸有杆腔 移动副
扭矩缸有杆腔 鞍架 转动副
鞍架 主梁 移动副
撑靴缸无杆腔 十字销轴连接球套 移动副
十字销轴活动轴 十字销轴连接球套 球副
十字销轴活动轴 鞍架 球副
(a) 推进液压缸详细图 (b) 推进液压缸简化
图 2.7 推进液压缸简化画法
体模型。我们以 Robbins 公司的 TBM264-311 型号 TBM 为造型对象，得到 SolidWorks 下 主机的装配体模型如图 2.8。
(a) 俯视图
(b) 正视图
图 2.8 TBM 主机装配体模型
2.3 围岩柔性体建模
TBM 在硬岩条件下进行掘进时，当使用扩孔刀进行开挖时，开挖直径略大于盾体外 径，围岩相对于盾体来说刚性较差，在 TBM 主机重力作用下，接触区域的围岩会发生变 形，最终导致围岩和盾体之间呈面面接触状态。接触区域盾体和围岩除了相互挤压带来的 挤压正应力外，还有摩擦力。盾体和围岩的接触状态如图 2.9所示。
围岩在盾体挤压、开挖面的扰动以及自身本构模型作用会发生弹塑粘性变形。但是为 了在虚拟样机软件 ADAMS 下考虑盾体和围岩之间的接触应力，我们采用刚柔耦合的方 法–即盾体为刚性体，围岩用柔性体表示—来模拟接触状态。
2.3.1 ADAMS 柔性体简介
ADAMS 柔性模块将物体的弹性抽象成模态。该理论基于两个假设：一个是物体的 变形相对于物体坐标系属于弹性小变形，另一个是物体坐标系只进行非线性的移动和转 动[45]。其本质思想是将柔性体看作是一个模态集，用模态坐标和模态向量的线性叠加来
图 2.9 盾体围岩的接触状态
描述物体的弹性位移，并以物体的弹性位移来表示物体的变形运动[46]。
当在 ADAMS 下使用柔性体来表示围岩时，相当于只考虑围岩的弹性变形，而不考虑 围岩更复杂的本构模型。ADAMS 下柔性体的表示方法有多种，下面对其分别介绍[23]： 1) 离散梁单元连接，即将一个构件细分成许多段彼此间用柔性梁单元连接的刚性构件；
2) 通过有限元分析软件如 ANSYS/Nastran 将构件划分成很多细小的网格单元，接着进行 相应的模态计算了，并将求解结果保存到模态中性文件中（MNF,Model Neutral File），
最后可以将 MNF 文件之间输入 ADAMS/View 中建立柔性体；
3) 利用 ADAMS/ViewFlex 功能，直接在 ADAMS/View 中建立柔性体的 MNF 文件。
2.3.2 ANSYS 模态中性文件生成
本文中采用有限元软件 ANSYS 生成模态中性体文件的方法得到围岩的柔性体。由文 献调研得知，TBM 在挖掘过程中岩体收到影响的区域大致集中在隧道半径 10 倍值的圆筒 形区域内，不考虑 TBM 掘进对围岩扰动的影响。实际建立的隧道模型为一简化的圆柱体，
内径略大于 TBM 开挖直径，外径为内径的 10 倍，长度稍长于护盾轴向长度。建立有限元 单元时，还必须设定单元的密度，弹性模量，以及泊松比，参数关系如表 2.2。这些参数 全部按照某一类岩石的参数进行选取。
按照上述参数在 ANSYS 的前处理模块下建立围岩的网格模型。需要注意的是由于围 岩受影响区域为圆柱体形状，结合围岩的受力特点，我们在围岩径向远离对称中心的方
按照上述参数在 ANSYS 的前处理模块下建立围岩的网格模型。需要注意的是由于围 岩受影响区域为圆柱体形状，结合围岩的受力特点，我们在围岩径向远离对称中心的方