ADAMS 命令流建模实现 - TBM 虚拟样机建模参数化

第 3 章 TBM 虚拟样机参数化建模

3.3 TBM 虚拟样机建模参数化

3.3.2 ADAMS 命令流建模实现

对于获取单个界面操作对应的特定命令语句和格式，可以通过 ADAMS/View 交互操作时，命令窗口（Command Window）查看每步交互操作调用的命令行。该窗口会实时地显示交互建模时每一步对应的命令流。通过分析这些命令流然后复制到我们自己的程序中去，并根据情况做相应的修改，主要是关键 MARKER 点坐标的参数化。因为 SolidWorks 导出的 Parasolid 格式文件输入 ADAMS 之后可以识别构建的质心坐标信息，可以将关键点的坐标参数化为相对构件质心的方法，各种约束副和载荷的作用点都是相对于质心的。

因此我们就将各种约束和载荷参数化为按照构建尺寸变化的，当然还可以对载荷和各种驱动力驱动力矩进行参数化，以满足虚拟样机运行的初始条件。这样可以创建我们自己的关于参数驱动的命令流程序。

ADAMS 的命令流文件格式为.cmd，可以用 windows 自带的记事本打开并进行编辑。

虚拟样机命令流文件编写流程如图 3.17所示：下面举一例说明几个关键步骤中命令流程序

图 3.17 虚拟样机命令流程序流程图

的编写。

获取三维体几何信息命令流程序：

1 file parasolid read &

2 file_name = "E:/solidworks_file/quanbu201510/&

3 parasolid_zhuangpei_0105.x_t"&

4 type = ASCII &

5 model_name = .TBMjuejin

第一行命令为读入 Parasolid 文件命令关键字，第二行为读入的文件所在的详细文件夹位置。第三行为 parasolid 格式在电脑内部储存格式。最后一行为读入文件到 ADAMS 名为的 TBMjuejin 的模型中。

建立主梁和鞍架之间的移动约束副的命令流程序：

1 !

2 marker create &

3 marker_name = .juejin.PART2_zhuliang.MARKER_196 &

4 adams_id = 220 &

5 location = (LOC_RELATIVE_TO({0,0,0}, .juejin.PART3_anjia.cm)) &

6 orientation = 270.0, 90.0, 180.0

7 !

8 marker create &

9 marker_name = .juejin.PART3_anjia.MARKER_197 &

10 adams_id = 221 &

11 location = (LOC_RELATIVE_TO({0,0,0}, .juejin.PART3_anjia.cm)) &

12 orientation = 270.0, 90.0, 180.0

13 !

14 constraint create joint translational &

15 joint_name = .juejin.JOINT_51_anjia_zhuliang &

16 adams_id = 51 &

17 i_marker_name = .juejin.PART2_zhuliang.MARKER_196 &

18 j_marker_name = .juejin.PART3_anjia.MARKER_197

19 !

表 3.1 TBM MB264-311 主要参数

TBM MB264-311

直径 8.1m

滚刀 (不含扩孔刀) 50 把

单把滚刀最大负载 311kN

刀盘名义推力 21148kN

刀盘功率 3000KW

刀盘转速 0

∼ 8.3r/min

推进液压缸行程 1.87m

液压系统 296bar

鞍架在导轨上行程 1916

主梁俯仰调向时鞍架上升的高度 180.1

∼ 406.3

主梁轮廓尺寸 L

× W × H 15082 × 1000 × 4552

推进压缸总长度范围 4368.6

∼ 6197.6

撑靴缸单步单侧行程 635

撑靴液压缸外径 915

撑靴缸有杆腔直径 560

撑靴最外沿离主梁中心的水平距离 3575.5

∼ 4210.5

图 3.18 虚拟样机命令流驱动下的装配体约束模型

3.4 本章小结

本章针对虚拟样机参数化建模过程进行了详细阐述，主要内容包括 TBM 主机机构零件的三维参数化造型，围岩结构 MNF 文件的参数化以及最后的虚拟样机参数化命令流编写。

1) 主机机构的三维造型主要是通过 SolidWorks 软件实现的，为了方便零部件尺寸的修改，

本位采用 SolidWorks 二次开发的方法，使用 VB 语言编制出三维零件造型的程序窗口，

用户只需要修改主要参数就可以得到不同尺寸下的 TBM 主机装配体，使用方便灵活。

2) 围岩就够的模态中性体（MNF）文件考虑的尺寸范围也是受刀盘开挖直径的影响而变化的。为了方便后续虚拟样机分析还必须对围岩物理参数，如弹性模量等参数进行修改。因此采用 ANSYS 的参数化编程语言（APDL）编写出了围岩体的 MNF 文件。

3) 在前两节的基础上，将之前生成的参数化主机机构装配体模型文件和围岩 MNF 文件依次输入 ADAMS 软件中，利用 ADAMS 自带的命令流语言编写出零部件之间的几何以及运动约束，以及运动之前的力和力矩约束条件，完成虚拟样机建模参数化的完整程序编写。

摘要：本章主要内容是 TBM 虚拟样机仿真分析。该仿真的主要内容是不同岩石特性下，滚刀的载荷对 TBM 掘进状态的影响。负载从围岩强度，岩层分布两个层面来进行考虑。分析了 TBM 在恒推力工作模式下，TBM 掘进的动态过程。

4.1 岩层条件对掘进状态的影响

在对 TBM 进行虚拟样机分析时，需要模拟 TBM 在不同负载情况和不同驱动参数设置下，TBM 的掘进状态。我们主要用主梁的位姿、推进速度、加速度以及刀盘上所受的滚刀总作用力、力矩、滚刀贯入度等信息来表征 TBM 的掘进状态。TBM 主机的负载，主要是指作用在刀盘面上的负载。影响刀盘负载的因素有很多，很多专家学者都从具体的岩石特性参数，开挖面非均匀混合断面情况，刀盘面滚刀布置，滚刀参数的选取等多个方面进行过详细分析^[10,54]。为了表示不同负载的影响，我们采用最具代表性的不同岩石强度和不同岩层分布的方法来代表不同负载，研究负载对掘进状态的影响^[10]。

4.2 岩层强度对掘进状态的影响

在分析岩石条件对掘进状态的影响时，首先我们采用最简单的均匀单一围岩假设，岩 石的物理特性参数主要是影响 CSM 滚刀模型中的剪切强度 σ_τ 和抗压强度 σ_τ 两个强度参数。我们按照文献^[55]中的数据进行岩石参数选取，抗压强度的基准值取为 150MPa，其他几个对比值分别为 110MPa，130MPa 和 170MPa，剪切强度基准值取为 26MPa，对比值分别取为 16MPa，21MPa 和 31MPa。

目前 TBM 的掘进工作模式主要分为恒推力控制和恒扭矩控制，控制模式如图 4.1所示。

本文采用恒推力模式进行 TBM 主机推进步态仿真。TBM 主机系统输入为液压缸的推力，设定刀盘的转速为恒定值，研究不同抗压强度下负载对 TBM 掘进状态的影响。

液压缸推进力的确定：

F

_thrust = P_thrust

× πd

²_thrust

4 (4.1)

上式中 F_thrust 表示单个推进液压缸中产生推力，P_thrust表示推进缸中的实际压力大

(a) 恒推力控制 (b) 恒转矩控制图 4.1 TBM 工作模式

小，d_thrust表示推进液压缸的作用直径。根据 Robbins 公司 TBM264-311 机型中提供的技术

参数，P_thrust工作范围为 296

∼345bar，仿真取值为 300bar、320bar，d

thrust的尺寸为 430mm。

经过计算：

F

_thrust= P_thrust

× πd

²_thrust

4 = 300

× 10

⁵

× π × (430 × 10

⁻³)²

4 = 4.356

× 10

⁶N (4.2) 如图 4.2的四幅图分别为:P_thrust = 300bar 时抗压强度在110、130、150、170MPa 下，

TBM 掘进滚刀贯入度 P、轴线推进位移 S、推进速度 V、作用在刀盘面上的滚刀轴向合力

如图 4.3的四幅图分别为:P_thrust = 320bar 时抗压强度在110、130、150、170MPa 下，

TBM 掘进滚刀贯入度 P、轴线推进位移 S、推进速度 V、作用在刀盘面上的滚刀轴向合力

(a) 滚刀贯入度 P (b) 轴向掘进位移

图 4.2 Pthrust= 300bar 不同岩石抗压强度下主机掘进状态的仿真结果

度，轴向掘进速度，刀盘所受滚刀轴向合力均趋于稳定。但是实际情况受机构掘进每个步长周期的限制，因此在给定参数情况下，掘进一直处在动态变化中。

4.3 岩层分布对掘进状态的影响

岩层分布对滚刀作用力影响也很大，主要是滚刀与不同岩石接触时载荷会发生动态变化，为了表征岩层的不同分布，我们选取两种岩石，分析开挖断面上不同岩石所占的比 例对 TBM 掘进状态的影响。两种岩石强度参数分别取为：L1：σ_τ = 26，σ_c = 150，L2：

σ

_τ = 26，σ_c= 130。

L1 和 L2 在开挖断面上的分布以及 L1 和 L2 在岩层中所占的比例定义如图 4.6，四种岩层分布中，在水平直径上 L1 所占的长度比例分别为 25%、50%、75% 和 100%。

TBM 在不均匀分布的岩层断面中掘进时，穿过岩层的交界面时，滚刀上的载荷会发生突变；刀盘面上滚刀受力不均匀，不均匀力会形成平行刀盘端面的力偶，导致刀盘主梁机构偏离设计轴线。

从图 4.7a、b、c、d 四幅图中可以看到，在垂直于刀盘面的掘进方向上刀盘受力、掘进速

(a) 滚刀贯入度 P (b) 轴向掘进位移

图 4.3 Pthrust= 320bar 不同岩石抗压强度下主机掘进状态的仿真结果

度等状态变量受岩石不均匀的影响不是太大，主要体现在抗压强度较大的岩层（σ_c= 150）

所占的比例越高，刀盘载荷等属性越接近 σ_c= 150 的单一岩层中TBM 的掘进状态。主要原因是，刀盘面在不停旋转，刀盘面上轴向总载荷趋向不变，与同种岩石接触的滚刀数目变化不会太大。从图 4.7d的局部放大图 4.8中我们可以看到：刀盘上的轴向作用反力确实存在波动，只有在两种岩石各占一半时，刀盘上轴向载荷总体上是稳定的。而且波动的幅值相同，这是由于个别滚刀穿越岩层界面所产生的周期性的两种岩层中滚刀数目差异导致的。

4.4 本章小结

本章主要围绕 TBM 虚拟样机仿真分析进行研究，基于 TBM 的虚拟样机模型，分析不同岩石负载条件对 TBM 掘进状态的影响。主要内容包括以下几个方面：

1) 首先通过分析确定对 TBM 恒推力工作模式下的掘进性能进行仿真分析。

2) 以均匀分布岩石为研究对象，分别研究两组抗拉强度和抗压强度下，岩石载荷对 TBM 掘进状态的影响。仿真结果表明，在恒推力和恒转速条件下，TBM 掘进时滚刀的贯入

(a) 滚刀贯入度 P (b) 轴向掘进位移

图 4.4 Pthrust= 300bar 不同岩石剪切强度主机掘进状态的仿真结果

度和推进速度在一个掘进步长之内一直在增大，只有在经过足够长时间后掘进状态才会趋于稳定。

3) 以不均匀岩层分布为研究对象，分析岩层分布对掘进状态的影响。首先定义了岩层比例参数，然后讨论不同比例的岩层分布下，掘进方向上掘进参数的变化量。结果表明在掘进轴线方向上，掘进位移和速度主要受围岩的平均强度的影响。此外岩层分布对刀盘载荷波动也有影响。

(a) 滚刀贯入度 P (b) 轴向掘进位移

图 4.5 Pthrust= 320bar 不同岩石剪切强度主机掘进状态的仿真结果

图 4.6 岩层分布及比例定义

(a) 滚刀贯入度 P (b) 轴向掘进位移

图 4.7 Pthrust= 300bar 不同岩石岩层分布的掘进状态

图 4.8 刀盘轴向受力局部放大图

5.1 论文总结

TBM 虚拟样机建模及分析作为研究 TBM 掘进性能的重要手段，对 TBM 的设计及施工具有重要的指导及研究意义。本文以建立 TBM 主机虚拟样机模型和研究负载对 TBM 掘进性能影响为目标。在查阅国内外大量的文献的基础上，本文对 TBM 虚拟样机模型的具体实现进行了详细的分析，在此基础上对岩层带来的滚刀负载特性对 TBM 主机工作性能的影响进行了初步分析。

论文的主要工作体现在以下几个方面：

在文檔中 TBM Virtual Prototyping Modeling (頁 56-0)